Technology and energy management for cogeneration and trigeneration systems based on multi-objective optimization in integrated structures
Bütünleşik yapılarda çok amaçlı optimizasyona dayalı kojenerasyon ve trijenerasyon sistemlerinin teknoloji ve enerji yönetimi
- Tez No: 712539
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET ZİYA SÖĞÜT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Piri Reis Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 258
Özet
19.yüzyılın ortalarından itibaren sanayi devrimi sonrasında hızla artan dünya nüfusu ve gelişen yaşam kalitesine bağlı olarak dünyanın enerji tüketimi belirgin anlamda yükselmiştir. Sürekli artan enerji talebinin karşılanmasında fosil kaynaklı yakıtların yüksek payı ve atmosfere bırakılan karbon emisyonları nedeniyle küresel ısınma, dünyanın geleceği açısından en başta gelen sorunları arasındadır. Her ne kadar yenilenebilir enerji kaynakları bu sorunun çözümünde alternatif gibi görünse de yapılan tahminler yakın gelecekte fosil kaynaklara bağımlılığın artarak devam edeceğini gösteriyor. Türkiye'nin toplam enerji tüketiminde önemli bir paya sahip olan bütünleşik yapıların, enerji kaynağının %71'inin fosil yakıtlara dayalı olduğu dikkate alındığında, tüketimde olduğu kadar üretimde de enerji verimliliğinin önemi açıktır. Bütünleşik yapılar türlerine göre farklılık gösterse de elektrik, ısıtma, kullanma sıcak suyu ve soğutmadan oluşan enerji talebi açısından benzerdirler. Kojenerasyon ve trijenerasyon sistemleri bu talebin karşılanmasında en etkin alternatiflerdendir. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde, genellikle belirli bir yapı türüne uygun, enerji verimliliği ya da enerji tasarrufu gibi tek-boyutlu çözümlerin geliştirildiği görülmektedir. Literatürdeki örneklerden farklı olarak bu tez çalışmasında, bütünleşik yapıların enerji ihtiyaçlarını ortak bir paydada ele alarak tüm bütünleşik yapılar için geçerli bir model geliştirilmesi amaçlanmış ve termodinamik parametrelere dayanan proses analizleri termodinamiğin birinci kanunu temel alınarak incelenmiştir. Bu kapsamda kojenerasyon ve trijenerasyon sistemlerinin işletme optimizasyonunun genetik algoritmaya bağlı olarak etkin çalışma aralıklarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Referans alınan bütünleşik yapılar için kojenerasyon ve trijenerasyon seçeneklerinin tekno ekonomik analizleri termodinamiğin birinci kanunu analizlerinden yararlanılarak yapılmıştır. Çalışmada genetik algoritma ile çok amaçlı optimizasyon yöntemi kullanılarak en etkin işletme süreçleri bir nesil olarak tanımlanmıştır. Bu süreçte ölçülebilir teknik, ekonomik, çevre, mevzuat ve sosyal kriterler ile bina tipine bağlı sınır koşullar belirlenmiştir. Yapılan çok amaçlı optimizasyon sonuçları problemin tek bir analitik çözümünün olmadığını, aksine, amaç fonksiyonu, kısıtlar ve değişkenliklere bağlı olarak uygun bir çözüm kümesini içerdiğini göstermiştir. Referans alınan hastane, otel ve alışveriş merkezine bağlı vaka çalışmalarından elde edilen sonuçlara göre; birincil enerji kaynaklarından %26-28, enerji maliyetlerinde %25-34, ve sırasıyla 450-500 ton/yıl, 230-280 ton/yıl, 72-78 ton/yıl karbondioksit emisyon tasarrufu sağlanmıştır. Ayrıca, literatüre somut bir katkı olarak geliştirilen Sürdürülebilir Isı Yönetimi Endeksi, trijenerasyon sisteminde açığa çıkan ısının, ısıtma veya soğutma sistemi önceliğinin belirlenmesi için geliştirilmiştir. Bu tez çalışması toplam yedi bölümden oluşmuştur. Birinci bölümde, tezin kavramsal bilgilerine ilişkin incelemeler yer alırken, ikinci bölümde anahtar kelimelere bağlı kapsamlı literatür incelemesi ve yayın taraması sunulmuştur. Tezin ana yapısını oluşturan, bütünleşik yapılar için enerji yönetimi ve teknoloji yönetimine ilişkin teorik alt yapı, sırasıyla üçüncü ve dördüncü bölümlerde ele alınmıştır. Çalışmada geliştirilen çerçeve modeli ve buna ilişkin metodolojik alt yapı ise beşinci bölümde verilmiştir. Çalışmanın altıncı bölümünde, referans alınan bütünleşik yapılar için, oluşturulan çerçeve modele bağlı tekno-ekonomik değerlendirme ve optimizasyon sonuçları detaylı olarak anlatılmıştır. Sonuç bölümünde ise analizlerden elde edilen spesifik bulgular verilmiş, bunlara bağlı öngörüler ve değerlendirmeler yapılmıştır. Çalışmanın sonunda, gelecekte ele alınması değerlendirilen konulara ilişkin öneriler sunulmuştur
Özet (Çeviri)
Since the middle of the 19th century, the world's energy consumption has increased significantly due to the rapidly growing world population and improving quality of life after the industrial revolution. Global warming is one of the most critical problems for the world's future due to the high share of fossil fuels covering the ever-increasing energy demand and the carbon emissions released into the atmosphere. Although renewable energy sources seem to be an alternative to the solution of this problem, the estimates show that the dependence on fossil resources will continue to increase in the near future. The importance of energy efficiency in generation as well as in consumption is evident since 71% of the energy source of integrated structures, which have a significant share in Turkey's total energy consumption, is based on fossil fuels. Although the integrated structures differ according to their types, they are similar in terms of energy demand consisting of electricity, heating, domestic hot water, and cooling. Cogeneration and trigeneration systems are among the most effective alternatives to meet this demand. When the studies in the literature are examined, it is seen that one-dimensional solutions such as energy efficiency or energy saving are generally developed for a particular type of building. Unlike the examples in the literature, this thesis study aims to develop a valid model for all integrated structures by considering the energy requirement of integrated structures on a common denominator, and process analyses based on thermodynamic parameters have been examined on the basis of the first law of thermodynamics. In this context, it has been aimed to define the effective working intervals of the operational optimization of cogeneration and trigeneration systems depending on the genetic algorithm. Within this frame of reference, techno-economic analyzes of cogeneration and trigeneration options for the reference integrated structures have been made using the first law of thermodynamics analyses. In the study, the most effective operational processes have been defined as one generation using the multi-objective optimization method based on a genetic algorithm. In this process, measurable technical, economic, environmental, legislative, and social criteria and boundary conditions depending on the building type have been determined. The results of the multi-objective optimization showed that the problem does not have a single analytical solution; on the contrary, it contains a Pareto set of solutions depending on the objective function, constraints, and variability. According to the analysis results obtained from case studies consisting of a hospital, hotel, and shopping mall; 26-28% from primary energy sources, 25-34% savings in energy costs, and carbon dioxide emission savings of 450-500 tons/year, 230-280 tons/year, 72-78 tons/year, respectively, have been achieved. In addition, the Sustainable Heat Management Index, which was formed as a concrete contribution to the literature, has been developed to determine the priority of the heating or cooling system in the utilization of the heat released in the trigeneration system. This thesis consists of seven chapters. In the first chapter, there are analyzes on the conceptual information of the thesis, while a comprehensive literature research and publication review based on keywords are presented in the second chapter. Energy management and technology management for integrated structures, which form the main structure of the thesis, are discussed in the third and fourth chapters, respectively. The framework model developed in the study and the related methodological infrastructure are given in the fifth chapter. In the sixth chapter of the study, the techno-economic assessment and optimization results based on the framework model formed for the integrated structures taken as reference are explained in detail. In the conclusion part, specific findings obtained from the analyzes are given, and predictions and evaluations related to them are made. At the end of the study, suggestions regarding the issues to be addressed in the future are presented.
Benzer Tezler
- Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria
Özgün güneş kuleli gaz türbini çevrimli çoklu-üretim sistemlerinin yeni performans kriterleri ile enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel tasarımı, performans analizi ve çok amaçlı optimizasyonu
MERT ÇOLAKOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURMAYAZ
- Simulation and life cycle assessment of combined bioheat and biopower plant using hungary oak (Quercus frainetto L.) coppices as a feedstock
Macar meşesi (Quercus frainetto L.) baltalıklarını hammadde olarak kullanan birleşik biyoısı ve biyogüç santralinin simülasyonu ve yaşam döngüsü analizi
FAHRİYE ENDA TOLON
Doktora
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
- Design and life cycle assessment of integrated organosolv based biorefinery: Simulated case studies utilizing sessile oak (Quercus petraea) coppices and industrial wood sawdust from Bursa/Turkey region
Entegre organosolv bazlı biyorafineri tasarımı ve yaşam döngüsü değerlendirmesi: Bursa/Türkiye bölgesinden sapsız meşe (Quercus petraea) ve endüstriyel odun talaşı kullanarak durum çalışmaları simülasyonu
MERVE NAZLI BORAND
Doktora
İngilizce
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
- Life cycle impact assessment of an anaerobic digester plant for organic wastes generated from a university campus in Istanbul
İstanbul'da bulunan bir üniversitenin organik atıkları ile çalışan anaerobik çürütme tesisinin yaşam döngüsü etki analizi
MERVE TUNALI
- Gelişmekte olan ülkelerde teknoloji politikalarının belirlenmesi ve Türkiye'deki durum
Technology policies in developing countries and the situatiın in Turkey
MEHPARE BARIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUFAN V. KOÇ