Application of Micro-CHP System for a Student Accommodation Building in North Cyprus

Abstract

Increased use of fossil fuels is the primary source of the greenhouse gasses causing the global warming. This paved the way for increased research on renewable energies and energy efficient systems, for producing heat and power. With this regard, combined heat and power systems are used as energy efficient systems leading to a reduction in fossil fuel consumption. The objective of this study is to investigate the energetic (thermal and electrical) performance and economic feasibility of employing a 5.5kW Micro Combined Heat and Power (Micro-CHP) plant to a 400m2 student accommodation building in Cyprus. The analysis is carried out for two scenarios; i. Micro-CHP system following the thermal load of the building ii. Micro-CHP system following the electrical load of the building. The building’s constructions material’s thermophysical properties, building’s schedules (occupancy, lighting, electrical appliances, heating requirements and hot water use), are defined for the case study building. These parameters are required for the investigation and analysis. The investigation is done by carrying out dynamic simulations by the thermal simulation software Energy Plus. The simulations are done for the heating season (1st of November-28th of February). The parameters required for the simulations are explained extensively in the work. Monthly, daily and hourly results (energy produced by Micro-CHP plant) are presented for the simulation period and given for the two scenarios; Micro-CHP system following the thermal load and electrical load of the building. The results show that the maximum energy production by the Micro-CHP system for following the thermal load is in January with thermal energy production of 14680.57 MJ and electrical energy production of 6867.43 MJ. When the Micro-CHP follows the electrical load of the building, the maximum energy output is obtained again in January with electrical output of 6458.6 MJ and thermal output of 13976.49 MJ. Finally, an economic feasibility analysis of the Micro-CHP has been carried out at the end of this study for both cases; Micro-CHP following thermal load and following electrical load of the building. It has been shown that for following the thermal load 6539 kWh electrical energy is saved but 3654 kWh of more thermal energy is used with Micro-CHP compared with a conventional system. The overall energy saving is 2885 kWh. For following the electrical load, 6946.5 kWh of electrical energy saved but 8502 kWh of more thermal energy is used with Micro-CHP. The overall energy saving is - 1555 kWh. It is seen that when the thermal load is followed energy is saved but when the electrical load is followed there is no energy saving. Although there is energy saving while the Micro-CHP is following the thermal load of the building, the system is not feasible as Savings to Investment Ratio=0.4, Internal Rate of Return=0%, and Simple Payback Period= 23.8 years. This has several reasons such as the high installation cost in Turkish Lira, low oil prices causing lower electricity prices etc. It has been showed that if the Turkish Lira rate is stable such as it was 3 years ago and the electricity prices were at the same value as 3 years ago the project would be feasible with SIR=1.1, IRR=11%, and SPP=8.2 years. Keywords: electrical load of the building, thermal load of the building, Micro-CHP analysis, economic analysis.

Fosil yakıtların kullanımının artması, küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının başlıca kaynağıdır. Bu durum, ısı ve güç üretimi için, yenilenebilir enerji sistemleri ve enerji verimliliği konusunda yapılan araştırmaları artırmıştır. Bu bağlamda, kombine ısı ve güç sistemleri (CHP), fosil yakıt tüketiminde tasaruf sağlayan verimli enerji sistemleri olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, Kıbrıs'ta 400m2’lik bir öğrenci konaklama binasına 5.5 kW’lık bir Mikro-CHP uygulamasının enerji (ısı ve elektrik) performansını ve ekonomik uygulanabilirliğini incelemektir. Bu çalışmada iki durum ele alınmıştır; i. Mikro-CHP sisteminin binanın ısıl yükünü takip etmesi ii. Mikro-CHP sisteminin binanın elektriksel yükünü takip etmesi Mikro-CHP sisteminin incelenmesi ve analizi için gerekli olan parametreler; bina yapı malzemelerinin ısıl ve fiziksel özellikleri, binanın çalışma koşulları (doluluk, aydınlatma, elektriksel yükler, ısıtma gereksinimleri ve sıcak su kullanımı) tanımlanmıştır. Mikro-CHP sisteminin incelenmesi, bir dinamik ısıl simülasyon yazılımı olan Energy Plus ile yapılan simülasyonlar vasıtası ile gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar Kıbrıs’ta ısıtma sezonu olan Kasım ayının başından Şubat ayının sonuna kadar olan süre için yapılmıştır. Yapılan simülasyonlar için gerekli parametreler bu çalışmada detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Aylık, günlük ve saatlik sonuçlar (Mikro-CHP sistemi tarafından üretilen enerji) simülasyon dönemi için her iki senaryo (bina ısıl yükü takibi ve bina elektriksel yükü takibi) için de verilmiştir. Binanın ısıl yükü takip edilmesi halinde Mikro-CHP sistemi ile maksimum ısı enerjisi üretimi 14680.57 MJ, maksimum elektrik enerjisi üretimi ise 6867.43 MJ ile ocak ayında gerçekleşmiştir. Binanın elektriksel yükü takip edilmesi halinde Mikro-CHP sistemi ile maksimum ısı enerjisi üretimi 13976,49 MJ, maksimum elektrik enerjisi üretimi ise 6458,6 MJ ile yine ocak ayında gerçekleşmiştir. Bu çalışmanın sonunda her iki senaryo için de ekonomik uygulanabilirlik çalışması yapılmıştır. Binanın ısıl yükünün takip edilmesi halinde 6539 kWh’lık elektrik enerjisi tasarruf edilmiş fakat fazladan 3654 kWh’lık ısıl enerji tüketilmiştir. Toplam enerji tasarrufu ise 2885 kWh olmuştur. Binanın elektriksel yükünün takip edilmesi halinde ise 6946,5 kWh’lık elektrik enerjisi tasarruf edilmiş fakat fazladan 8502 kWh’lık ısıl enerji tüketilmiştir. Toplam enerji tasarrufu ise -1555 kWh olmuştur. Görülmektedir ki binanın ısıl yükü takip edildiği zaman enerji tasarrufu oluşmakta fakat binanın elektriksel yükü takip edildiği zaman tasarruf oluşmamaktadır. Binanın ısıl yükünün takip edilmesi halinde enerji tasarrufu sağlanmasına karşın yapılan ekonomik uygulanabilirlik çalışması sonucunda Mikro-CHP sisteminin ekonomik olarak uygulanamaz olduğu görülmüştür.(SIR=0,4, IRR=0% ve SP=23,8 yıl). Bu durumun en önemli sebepleri USD/TL kurunun bu çalışma yapıldığı esanada çok yüksek olması ve petrol fiyatlarının düşüklüğüne bağlı olarak elektrik fiyatlarının düşük olmasıdır.Çalışmada USD/TL kurunun ve elektrik fiyatlarının 3 yıl önceki gibi istikrarlı seyretmesi halinde ise projenin ekonomik olarak uygulanabilir olduğu ayrıca gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: binanın elektrik yükü, binanın ısı yükü, Mikro-CHP analizi, ekonomik analiz.