Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Systemanalys av termisk samverkan mellan solceller och värmepump i flerbostadshus: Modellering och scenarioanalyser av innovativa systemutformningar samt  väderförhållanden med fokus på energi, klimat och ekonomi
Karlstad University.
2018 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
System analysis of thermal cooperation between photovoltaics and exhaust air heat pump in apartment buildings : Modeling and scenario analysis of innovative system configurations and weather conditions with focus on energy, climate and economy (English)
Abstract [sv]

Att arbeta mot minskad klimatpåverkan är centralt i dagens samhälle och ett måste för en hållbar utveckling. Ett omdiskuterat område är utfasningen av äldre, fossilt baserad, elproduktion för att ge plats åt förnybar elproduktion. Det vill säga ”grön el”. Solceller, en typ av grön el, har under de senaste åren blivit billigare. Detta kan ses på den ökade installerade effekten varje år bland flerbostadshus från att Sverige började med ekonomiska bidrag till solceller år 2006. Solceller får en ökad verkningsgrad av högre instrålning men även av en lägre celltemperatur. Samtidigt gynnas värmepumpar, som är vanligt för fastighetsuppvärmning, av ett ökat COP om den tillkopplade köldbäraren når värmepumpen med en högre temperatur vilket ökar potentialen att leverera värme. Då solceller gynnas av låg temperatur och värmepumpen gynnas av hög köldbärartemperatur finns det ett motiv för värmeväxling mellan enheterna – termisk samverkan. Syftet med examensarbetet blir att öka kunskap genom en systemanalys om hur solceller och värmepump kan samverka i ett energi- och kostnadseffektivare energisystem via termisk samverkan.

I examensarbetet har två modeller av en fastighets energisystem byggts; med och utan termisk samverkan mellan värmepump och solceller. I energisystemet ingår fastighetens värme- och elsystem och är placerat i Karlstad. Värmesystemet består av frånluftvärmepump med fjärrvärme som spets och elsystemet består av fastighets- och hushållsel samt solceller. Resultat från modellerna jämförs med varandra med fokus på inköp av el och fjärrvärme, försäljning av el, koldioxidutsläpp och ekonomi. Resultatet från båda modellerna har även undersökts och jämförts i 8 scenarier. Scenarierna ändrar på systemutformning och väderfaktorer, exempelvis optimering av elproduktion eller byte av geografisk placering.

Modellerna är byggda i Matlabs modelleringsprogram Simulink och grundas på energibalanser. Data fås från intressenten av detta arbete (HSB Värmland), produktblad för solpanelerna (där en solpanel är en matris av solceller), egna mätningar från fastigheten, antaganden och liknande försök från vetenskapliga artiklar. Koldioxidutsläpp från el baseras på marginalelsprincipen.

Resultatet av ett energisystem i en fastighet i Karlstad med termisk samverkan mellan solceller och frånluftvärmepump bidrar till minskat koldioxidutsläpp på 1239 kg/år och 448 kg/år för kort respektive lång sikt. Årskostnaden minskar med 290 kr/år vilket gör det svårt att motivera termisk samverkan ur ett ekonomiskt perspektiv. Detta för att investeringskostnaden maximalt får nå 7250 kr över 25 år för att termisk samverkan ska vara ekonomiskt gynnsamt. Inköpet av el minskar och försäljningen av el samt inköpet av fjärrvärme ökar. Årsmedelvärdet för värmepumpens COP ökar från 4,56 till 5,30 och årsmedelvärdet för solcellernas verkningsgrad ökar från 21,15 till 21,16 %. Ett samverkande system har potentialen att bli mer attraktivt om elpriset ökar.

I scenarioanalysen uppkommer ett scenario, när elproduktionen från solcellerna optimeras, som medför betydligt lägre årskostnad från ett termiskt samverkande system jämfört med andra scenarier. Detta scenario medför reglering av köldbärarflöde, värmeväxlararea och tillsätter extern kylning. Årskostnaden av ett termiskt samverkande system minskas med 1920 kr/år till följd av denna systemutformning. Eftersom flera regleringar behöver göras anses detta scenario som komplicerat att få praktiskt genomförbart.

Ett scenario, när det samverkande systemet utformas utan frånluftåtervinning, är potentiellt ekonomiskt gynnsamt för nybyggnation av värmesystem. Scenariot medför att ett termiskt samverkande system ger minskad årskostnad jämfört mot ett icke-samverkande system med frånluftåtervinning. Det förväntas att nya värmesystem kan konstrueras utan frånluftåtervinning och därmed minska investeringskostnaden för nybyggnation. Eftersom investerings- och driftkostnader av frånluftåtervinning inte har hanterats i detta arbete behövs det vidare studier.

Termisk samverkan blir mer gynnsamt i varmare länder än Sverige men bidrar inte till minskat koldioxidutsläpp i lika hög grad. Det uppkom att om energisystemet placeras i Kiruna ökar både årskostnaden och koldioxidutsläppen. När energisystemet placeras i Lund var resultaten liknande mot i Karlstad. Detta för att klimatdata från Lund efterliknar klimatdata från Karlstad. När energisystemet placerades och jämfördes i Aten (Grekland) minskade årskostnaden och bidrog till minskat koldioxidutsläpp. Årskostnaden för systemet placerat i Aten blev lägre än årskostnaden i Lund men koldioxidutsläppet i Aten blev högre än koldioxidutsläppet i Lund. Eftersom systemet i Lund medför lägre koldioxidutsläpp än i Kiruna och Aten kan det finnas en brytpunkt i lokalt klimat där koldioxidutsläppen är som lägst från ett samverkande system.

Abstract [en]

It is discussed in today’s society to reduce the carbon dioxide emissions by replacing old, fossil fueled, electricity production with new, renewable and “green” ways of producing electricity. Photovoltaics have lately become cheaper which can be seen by looking at the increase in installed electric power from apartment buildings for each year in Sweden. This is mainly caused by the introduction of subsidies towards photovoltaics in 2006 from the Swedish state. The efficiency of photovoltaics increases when the solar radiation is higher but decreases with increasing cell temperature of the photovoltaic cells. The COP of heat pumps, which is commonly used for heating apartment buildings, is increased with increased brine temperature which increases the potential of heating. This means that photovoltaics can benefit from a cold brine while heat pumps can benefit from a higher brine temperature by heat exchanging with photovoltaics. Thermal cooperation is possible. The purpose of the study is to do a system analysis of how photovoltaics and heat pump can cooperate in an energy and cost-efficient energy system through thermal cooperation.

Two models, of an energy system in an apartment building located in Karlstad, have been built in this study; with and without thermal cooperation between heat pump and photovoltaics. The energy system is divided in two subsystems; heating and electricity system. The heating system consists of an exhaust air heat pump with district heating during peaks and the electricity system consists of the electricity demand from the apartment building and photovoltaics. The results of the models are compared with focus on purchase of electricity and district heating, selling of electricity, carbon dioxide emissions and economical costs. The results from the models have also been analyzed and compared in 8 different scenarios. The scenarios change the configuration of the energy system and weather factor. Examples of scenarios that have been analyzed are optimization of electricity production and change of geographical location.

The models are built in Matlabs modeling program Simulink and are based on energy balances. Data is gathered with help from HSB Värmland, product sheet of the solar panels (one solar panel is a matrix of several photovoltaics), own measurements, assumptions and similar studies from scientific articles. Carbon dioxide emissions are based on the merit order curve for electricity production (“marginal-energy-principle”).

An energy system in Karlstad with thermal cooperation, between photovoltaics and exhaust air heat pump, contributes to reduced carbon dioxide emissions by 1239 kg/year (short term) and 448 kg/year (long term). However, it is hard to warrant thermal cooperation from an economical perspective with th. This is because the investment costs of an energy system with thermal cooperation is only allowed to reach a maximum of 7250 kr over 25 years for it to be economically profitable. The amount of electricity that needs to be purchased decreases and the amount of electricity that is sold as well as district heating purchased increases. The yearly average COP of the heat pump increases from 4,56 to 5,30 and the yearly average solar panel efficiency increases from 21,15 to 21,16 %. If the price of electricity increases, then thermal cooperation will become more profitable.

One scenario from the scenario analysis stands out in comparison with other scenarios due to reduced yearly costs from a cooperating system of 1920 kr/year. This is when the electricity production from the photovoltaics are optimized. However, this scenario requires adjustments in brine flow, heat exchanger area and external cooling which can cause practical complications.

One scenario has the potential to become economically profitable with the construction of new heating systems. This is when the exhaust air recycling is removed from the heating system. The removal of exhaust air recycling in a cooperating system contributes to lower yearly costs but not as low as a cooperating system with exhaust air recycling. However, this might mean that the construction of new heating systems can be profitable without exhaust air recycling because the investment cost of the exhaust air recycling is removed. Since this study has not taken investment and operating costs of exhaust air recycling into account, further studies are needed to determine this.

Thermal cooperation is more profitable in warmer countries than Sweden but does not contribute to as low reduction in carbon dioxide emissions. When the energy system is placed in Kiruna, Sweden, it causes both the yearly cost and carbon dioxide emissions to increase. The energy system is placed in Lund, Sweden, yielded similar results as if the system was placed in Karlstad, Sweden. The yearly cost and carbon dioxide emissions decreased when the energy system was placed in Athens, Greece. However, when comparing the energy systems in Athens and Lund, Athens had the lower yearly cost but higher carbon dioxide emissions. Since the energy system placed in Lund contributes to the lowest carbon dioxide emissions in comparison to both Kiruna and Athens then there might be a break point in relation to local climate where the emissions are the lowest possible.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 53
Keywords [sv]
energisystem, fastighet, COP
National Category
Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-67780OAI: oai:DiVA.org:kau-67780DiVA, id: diva2:1220388
External cooperation
HSB Värmland
Subject / course
Environmental and Energy Systems
Educational program
Engineering: Energy and Environmental Engineering (300 ECTS credits)
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-10-10 Created: 2018-06-18 Last updated: 2018-10-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Systemanalys av termisk samverkan mellan solceller och värmepump i flerbostadshus(2035 kB)108 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2035 kBChecksum SHA-512
1953a5e36d2693a14a188602dd2fb315c01662ce1f5294967b2269b036a9ef0e6d936ef30aea05f1b6e13103333a1830819f36feca1e0c7dde8ea63b985c1ab3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Karlstad University
Energy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 108 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 177 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf