Viability of Trombe Wall Promotion through Utility Demand-Side Management

Abstract

The present study explores the feasibility of developing a demand-side management (DSM) strategy with the purpose of making advantage of the shifted solar energy use of Trombe wall (TW) systems to the evening hours while both the electric utility and its customers enjoy economic benefits. In many countries the winter peak hours coincide with the early evening hours and therefore replacing the electric heaters with TW systems during these hours would facilitate the peak clipping strategy in DSM. The aim of the current work is to offer means of overcoming the difficulties concerned with the implementation of such a DSM program and developing a comprehensive method to determine whether the outlined DSM program can be economically justifiable. The proposed method is examined under three different case studies including North Cyprus (NC), Erbil, and San Diego for single and two storey buildings. According to the simulations performed in Design Buildersoftware (Eastern Mediterranean University license 2019-2021); in the case of single storey building, for a 35 m2 room, integrated with a TW, an estimated 11.2, 12.48, and 4.37 kWhe/m2 is saved for NC, Erbil, and San Diego, respectively in each house participating in the program during the peak hours in winter. On the other hand, in the case of two storey building 9.22, 10.77, and, 3.03 kWhe/m2 is saved for NC, Erbil, and San Diego, respectively. A peak clipping of 17.5-MW is targeted in all programs to be achieved with the participation of 6842 houses in a DSM program. The utility rebates estimated per house are 1588.25, 1058.75, and 2543.9 EUR for the cases of NC, Erbil and San Diego respectively. The net present values (NPVs) for applying such a DSM program for single-storey buildings over a life-time of 20 years in NC, Erbil and San Diego are estimated to be 4,824,090, 29,597,585 and 1,575,901 EUR respectively. In the case of two-storey buildings, the NPVs are slightly different; for NC, Erbil and San Diego the NPVs are computed to be 4,866,525, 29,502,686, and 3,608,460 EUR, respectively. The life cycle cost indicators under different conditions and risks that might befall during the project implementation are also investigated. In all considered possibilities the savings-to-investment ratio of the DSM program for the case of NC and Erbil is greater than 1.0, implying that TW implementation is economically feasible in these locations. However, in the case of San Diego the economic viability of the proposed DSM program under unforeseen conditions is under risk, implying that its implementation should be carried out with utmost carefulness.

ÖZ: Sunulan çalışmada, Trombe Duvarı (TD) kullanılarak güneş enerjisinden akşam saatlerinde yararlanmaya imkan veren ve bu yolla hem elektrik enerjisi sağlayıcılarının hem de tüketicilerin ekonomik fayda sağlamasını mümkün kılan bir talep tarafı yönetim (TTY) stratejisi geliştirilmesinin uygunluğu incelemiştir. Birçok ülkede kış dönemi elektrik tüketimi pik periyodu akşamın ilk saatlerinde meydana gelmekte dolayısı ile bu saatlerde kullanılan elektrikli ısıtıcıların yerine TD kullanımı, TTY amacıyla pik kırpma stratejisinden yararlanılmasına olanak vermektedir. Sunulan çalışmanın amacı, böyle bir TTY programının uygulanmasında ortaya çıkabilecek zorlukluklara çözüm stratejileri sunmak ve belirtilen TTY programının ekonomik fizibilitesini değerlendirebilmek amacıyla detaylı bir yöntem geliştirmektir. Amaçlanan yöntem, Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego’da bulunan tek ve çift katlı binalar olmak üzere üç farklı örnek bölge için incelenmiştir. Design Builder programında (Doğu Akdeniz Üniversitesi lisans 2019-2021) gerçekleştirilen simülasyon sonuçlarına göre, tek katlı bir binanın 35 m2 ’lik bir odasına Trombe Duvarı entegre edilmesi ile, programda yer alan Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego koşullarındaki herbir konutta, kış dönemi pik yük saatlerinde, sırasıyla 11.2, 12.48, and 4.37 kWhe/m2 enerji tasarrufu elde edileceği belirlenmiştir. İki katlı bina uygulamalarında ise elde edilebilecek enerji tasarruf miktarı Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego koşulları için 9.22, 10.77 ve 3.03 kWhe/m2 olarak bulunmuştur. Bu stratejinin, TTY programına katılacak 6842 adet konuta uygulanması ile, amaçlanan 17.5 MW’lık pik yük düşüşünün elde edilebileceği tespit edilmiştir. Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego koşullarında yapılacak yatırım için elektrik sağlayıcı tarafından her bir konut için verilecek destek miktarları sırasıyla 1588.25, 1058.75, ve 2543.9 Euro olarak belirlenmiştir. Amaçalanan TTY programı ile, Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego’da bulunan tek katlı bina koşulu için, 20 yıllık periyotta elde edilebilecek tasarruf miktarının bugünkü değeri sırasıyla 4,824,090, 29,597,585 ve 1,575,901 Euro olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullardaki iki katlı bir bina için tasarruf miktarının bugünkü değerinin tek katlı binaya göre biraz farklılık göstereceği ve Kuzey Kıbrıs, Erbil ve San Diego koşulları için sırasıyla 4,866,525, 29,502,686, ve 3,608,460 Euro olacağı öngörülmektedir. Çalışma kapsamında amaçlanan stratejinin çeşitli koşullar altında uygulanmasında ortaya çıkabilecek farklı yaşam döngüsü maaliyet göstergeleri ve riskler göz ününde bulundurulmuştur. İncelenen tüm durumlarda Kuzey Kıbrıs ve Erbil bölgeleri için tasarruf-yatırım oranı 1’den büyük olarak belirlenmiş dolayısı ile TD uygulamasının bu bölgelerde ekonomik olarak uygulanabilir olduğu belirlenmiştir. Ancak amaçlanan stratejinin San Diego için öngörülemeyen durumlarda uygulanmasının ekonomik olarak riskli olduğu, dolayısı ile, bu bölgede gerçekleştirilecek uygulamalarda büyük bir titizlik gösterilmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır