A simulation tool for the assessment of micro-cogeneration plants : application to swimming centres

This study arises from the collaboration with Universal Sun S.r.l., a ESCo certified company that deals with the design and implementation of energy efficiency measures, as well as maintenance services, energy diagnosis and incentives management. The scope of this work is to create a model to evaluate the benefits attainable from the installation of a 20 kWe micro-cogeneration unit, named APLOS 20, in order to satisfy the thermal and electric energy demand in a sport centre. APLOS 20 is produced by Universal Sun S.r.l. and Power Geco S.C. for small and medium size application in tertiary sector. Considering the increasing request of efficient solutions and operation cost reduction by swimming centre, due to the high thermal energy demand for water pool heating, in the last years, micro Combined Heat and Power (CHP) units like APLOS represent a good solution for energy and money savings. However, in small applications, a control system monitoring the energy consumption and providing a precise load profile is rarely installed. For this reason, the model must be able to estimate the consumed energy load starting from aggregated data of monthly bills. Therefore, the aim of the study is to validate the model, providing a reliable energetic analysis of the sites and verifying its capability to perform in a short time the economic feasibility of the investment. After introducing the concept of cogeneration, the technical aspects and the more relevant incentive mechanisms regulated by laws are examined, as they are decisive both in determining the APLOS components and in the evaluation of the revenues achievable from its operation. Then, the micro-cogeneration unit APLOS 20 specs are deepened to check if they meet the normative requirements, and the unit performances are investigated. Finally, the computational model is presented and validated by comparing the energy analysis results with the monitored data of a real plant, that has been built in 2016. Some considerations about the model are also reported, focusing on possible integration or useful changes aimed to the optimization of the model itself.

Il presente studio nasce dalla collaborazione con Universal Sun S.r.l., azienda certificata ESCo che si occupa della progettazione e realizzazione di interventi di efficienza energetica, nonché di servizi di manutenzione degli impianti, di diagnosi energetica e gestione degli incentivi. Lo scopo della tesi è creare un modello di calcolo con la quale sia possibile valutare, in modo semplice ed efficace, i benefici derivanti dall’installazione di un impianto di micro-cogenerazione da 20 kW elettrici, denominato APLOS 20, per soddisfare, nella sua totalità o almeno in parte, la domanda di calore ed energia elettrica di un sito produttivo. In particolare, in considerazione della sempre più crescente applicazione all’interno di centri natatori, giustificata da una grande richiesta termica dovuta in particolare al riscaldamento dell’acqua delle piscine, è stato costruito un modello in grado di stimare i profili di carico termico ed elettrico a partire da dati aggregati quali i consuntivi mensili fatturati dall’ente distributore, in quanto raramente si hanno a disposizione dei profili di carico appositamente monitorati. In sunto, l’obiettivo dello studio effettuato è quello di rendere più affidabile l’analisi delle esigenze energetiche del soggetto richiedente e verificare in tempi rapidi la fattibilità economica del progetto. Il lavoro introduce in primo luogo il concetto di cogenerazione, mettendo in luce gli aspetti tecnici più rilevanti, con particolare riferimento alle applicazioni nelle piccole-medie imprese del settore terziario. In seguito, è stato eseguito un approfondimento della normativa vigente inerente agli impianti di micro-cogenerazione, riassumendo e semplificando i documenti principali che stabiliscono le regole installative e i principali meccanismi di incentivazione. Si prosegue con la descrizione tecnica e l’analisi delle prestazioni del micro-cogeneratore APLOS 20, prodotto pensato per applicazioni nel campo del terziario di piccola e media grandezza e realizzato da Universal Sun S.rl. in joint venture con Power Geco S.C. In particolare, è stato condotto uno studio statistico dei risultati ottenuti durante i test in laboratorio e dei transitori monitorati durante il funzionamento di alcuni macchinari già installati, al fine di prevedere in modo sufficientemente affidabile le prestazioni dell’APLOS anche a carico parziale e nei transitori di avviamento e spegnimento. Il modello di calcolo viene poi presentato nelle sue funzionalità e successivamente validato attraverso il confronto dei risultati ottenuti tramite l’analisi energetica e i dati prestazionali di un impianto realizzato ed entrato in funzione nel 2016. Si riportano, infine, alcune considerazioni sul modello energetico sviluppato, con possibili integrazioni e accorgimenti utili all’ottimizzazione dello stesso.