Heat losses and thermal performance of commercial combined solar and pellet heating systems

Various pellet heating systems are marketed in Sweden, some of them in combination with a solar heating system. Several types of pellet heating units are available and can be used for a combined system. This article compares four typical combined solar and pellet heating systems: System 1 and 2 two with a pellet stove, system 3 with a store integrated pellet burner and system 4 with a pellet boiler. The lower efficiency of pellet heaters compared to oil or gas heaters increases the primary energy demand. Consequently heat losses of the various systems have been studied. The systems have been modeled in TRNSYS and simulated with parameters identified from measurements. For almost all systems the flue gas losses are the main heat losses except for system 3 where store heat losses prevail. Relevant are also the heat losses of the burner and the boiler to the ambient. Significant leakage losses are noticed for system 3 and 4. For buildings with an open internal design system 1 is the most efficient solution. Other buildings should preferably apply system 3. The right choice of the system depends also on whether the heater is placed inside or outside of the heated are. A large potential for system optimization exist for all studied systems, which when applied could alter the relative merits of the different system types.

Slutrapport för EU-projekt Polysmart P22374-1

Följande sammanfattar erfarenheterna inom projektet:- Besparing av primärenergi är väldigt beroende av ett fåtal faktorer där primärenergi faktor för generering av el till nätet är avgörande. I projektet använde man termen ”non-renewable primary energy” där förnybara källor som bioenergi och även sopförbränning har väldigt låga värden. Om man använder den europeiska mixen för elproduktion ger enbartkraftvärme nästan alltid besparing av primär energi. Det samma gäller system där man använder förnybar energi eller sopförbränning. För system med trigenerering som använder fossila bränslen måste man ha både hög andel elproduktion från kraftvärmeaggregatet och relativt hög COP för den värmedrivna kylmaskinen om man ska få en besparing av primärenergi.- Systemen är komplexa och man har lärt sig mycket inom projektet. Dock har man inte kommit så långt som standard systempaket.- Elförbrukning är oftast högre än förväntat och i verklighet högre än specificerat.- Värmesänkan i systemet är en nyckelkomponent som är kritiskt för bra systemprestanda. Mer FoU krävs för att få fram komponenter som lämpar sig väl till sådana system (och som skulle också gynna andra system).- Mätning av systemet med tillhörande analys har behövts för att förbättra systemprestanda, vilket är kopplat till att system är komplexa och att det inte fanns en grundläggande kompetens i början av projektet hos alla partners.- Lovande nischmarknader har identifierats men de kräver förmodligen paketlösningar som inte finns på marknaden än.- Man ska enbart täcka baslasten med trigenereringssystem.- Koppling med fjärrvärme kan fungera bra men leverantören måste acceptera relativt höga returtemperaturer.

Fjärrvärmedrivna vitvaror : Erfarenheter från utveckling, installationer och kostnadsberäkningar

Värmedrivna vitvaror eller HWC-maskiner som de kallas av tillverkaren värms med varmt vatten från en cirkulerande krets via en värmeväxlare inbyggd i maskinen, till skillnad från konventionella maskiner som värms med el. Denna teknik skall inte förväxlas med maskiner som är anslutna till varmvattenledningen och fylls på med varmt vatten och som därmed begränsas till disk- och tvätt. Syftet med fjärrvärmedrivna vitvaror är alltså att använda fjärrvärme, som har lägre kvalitet och pris än elenergi för uppvärmning och torkning och på så sätt spara el och utöka fjärrvärmeunderlaget. En jämförelse av koldioxidutsläpp och primärenergianvändning mellan konventionella vitvaror och fjärrvärmedrivna vitvaror visar att både koldioxidutsläpp och primärenergianvändning blir lägre för fjärrvärmedrivna vitvaror om biobränsle anses koldioxidneutralt och den el som ersätts är producerad i kolkraftverk eller gaskombikraftverk.   Denna rapport beskriver utveckling och kommersialisering av värmedrivna vitvaror (disk- och tvättmaskiner samt torktumlare och torkskåp) och hur de kan anslutas mot fjärrvärmesystem i olika systemlösningar. Dessutom har de energimässiga och ekonomiska förutsättningarna för tekniken undersökts. Erfarenheterna från fältprovning är dock mycket begränsade, eftersom de byggen där fälttesterna skulle ske försenades. Under 2013 färdigställs ett flerbostadshus med värmedrivna vitvaror i 160 lägenheter i Västerås.   De utvecklade maskinernas värmeanvändning som andel av total energianvändning vid 60 graders framledningstemperatur har uppmätts till ca 50 % för diskmaskinen, 67 % för tvättmaskinen, 80 % för torktumlaren och 93 % för torkskåpet. I det studerade flerbostadshuset av passivhusstandard uppgår lasten från värmedrivna vitvaror komfortgolvvärme och handdukstorkar till upp mot 30 % av husets totala värmeanvändning. För småhus är motsvarande siffra upp mot 20 %. Att använda fjärrvärme istället för elvärme till dessa installationer som normalt är elvärmda kan allts minska elbehovet betydligt i lågenergibebyggelse vilket också minskar både koldioxidutsläppen och primärenergianvändningen.   Ekonomiska analyser har genomförts för två olika systemkoncept (separat vitvarukrets och Västeråsmodellen) för nybyggda småhusområden och flerfamiljshus där fjärrvärme inte bara används till vitvaror utan också till handdukstorkar och komfortgolvvärme. De ekonomiska analyserna visar att Västeråsmodellen är den mest ekonomiskt intressanta systemlösningen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme. I flerfamiljshus kan den vara konkurrenskraftig mot de elvärmda alternativen (konventionellt system med eldrivna vitvaror, komfortgolvvärme och handdukstorkar) om prisskillnaden mellan el och fjärrvärme är större än 0,7 kr/kWh. En parameterstudie visar att kapitalkostnaden blir ganska hög jämfört med energikostnaden, vilket betyder att lång livslängd och många cykler är viktigt för att förbättra de ekonomiska förutsättningarna för värmedrivna vitvaror. För passiva småhus blir kostnaden för Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme likvärdig med de elvärmda alternativen vid energiprisskillnader på 0,7 kr/kWh inklusive moms, medan det krävs prisskillnader på 0,9 kr/kWh inklusive moms för normalisolerade småhusområden.   Sammanfattningsvis kan sägas att i kommuner med ett konkurrenskraftigt fjärrvärmepris finns det viss lönsamhet för hela konceptet enligt Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, komfortgolvvärme, och handdukstorkar. Om man däremot ser på konkurrensen för enskilda vitvaror är det främst torktumlaren som är konkurrenskraftig i bostäder. Målpriset på 1000 kr extra för värmedrift har inte kunnat uppnås inom projektet för diskmaskiner och tvättmaskiner. Det krävs lägre priser och låga anslutningskostnader för att räkna hem diskmaskinen och tvättmaskinen som enskilda komponenter.   Värmedrivna tvättmaskiner och torktumlare är konkurrenskraftiga i flerfamiljstvättstugor. Speciellt i de fall där beläggningen är god och flera maskiner delar på anslutningskostnaden till fjärrvärmecentralen kan värmedrift bli riktigt lönsam. Torkskåpens konkurrenskraft har inte kunnat utvärderas, då priset ännu inte fastställts. Att använda VVC-systemet för värmedistribution till värmedrivna vitvaror kan vara mycket intressant, men det kräver att legionellaproblematiken kan lösas. I nuläget finns ingen lösning som uppfyller formuleringarna i boverkets byggregler. Ett annat distributionssätt som kan vara intressant, men som inte undersökts i studien är att använda VVC för varmvattendistribution och en gemensam radiator- och vitvarukrets med konstant framledningstemperatur. Den aktör som förväntas ha störst ekonomiskt intresse av att tekniken implementeras är sannolikt fjärrvärmebolagen som får sälja mer värme och det ligger därmed främst på deras ansvar att marknadsföra tekniken i mötet med sina kunder.

System Integration of PV/T Collectors in Solar Cooling Systems

The demand for cooling and air-conditioning of building is increasingly ever growing. This increase is mostly due to population and economic growth in developing countries, and also desire for a higher quality of thermal comfort. Increase in the use of conventional cooling systems results in larger carbon footprint and more greenhouse gases considering their higher electricity consumption, and it occasionally creates peaks in electricity demand from power supply grid. Solar energy as a renewable energy source is an alternative to drive the cooling machines since the cooling load is generally high when solar radiation is high. This thesis examines the performance of PV/T solar collector manufactured by Solarus company in a solar cooling system for an office building in Dubai, New Delhi, Los Angeles and Cape Town. The study is carried out by analyzing climate data and the requirements for thermal comfort in office buildings. Cooling systems strongly depend on weather conditions and local climate. Cooling load of buildings depend on many parameters such as ambient temperature, indoor comfort temperature, solar gain to the building and internal gains including; number of occupant and electrical devices. The simulations were carried out by selecting a suitable thermally driven chiller and modeling it with PV/T solar collector in Polysun software. Fractional primary energy saving and solar fraction were introduced as key figures of the project to evaluate the performance of cooling system. Several parametric studies and simulations were determined according to PV/T aperture area and hot water storage tank volume. The fractional primary energy saving analysis revealed that thermally driven chillers, particularly adsorption chillers are not suitable to be utilizing in small size of solar cooling systems in hot and tropic climates such as Dubai and New Delhi. Adsorption chillers require more thermal energy to meet the cooling load in hot and dry climates. The adsorption chillers operate in their full capacity and in higher coefficient of performance when they run in a moderate climate since they can properly reject the exhaust heat. The simulation results also indicated that PV/T solar collector have higher efficiency in warmer climates, however it requires a larger size of PV/T collectors to supply the thermally driven chillers for providing cooling in hot climates. Therefore using an electrical chiller as backup gives much better results in terms of primary energy savings, since PV/T electrical production also can be used for backup electrical chiller in a net metering mechanism.

Techno-economic analysis of three HVAC retrofitting options

Accounting for around 40% of the total final energy consumption, the building stock is an important area of focus on the way to reaching the energy goals set for the European Union. The relatively small share of new buildings makes renovation of existing buildings possibly the most feasible way of improving the overall energy performance of the building stock. This of course involves improvements on the climate shell, for example by additional insulation or change of window glazing, but also installation of new heating systems, to increase the energy efficiency and to fit the new heat load after renovation. In the choice of systems for heating, ventilation and air conditioning (HVAC), it is important to consider their performance for space heating as well as for domestic hot water (DHW), especially for a renovated house where the DHW share of the total heating consumption is larger. The present study treats the retrofitting of a generic single family house, which was defined as a reference building in a European energy renovation project. Three HVAC retrofitting options were compared from a techno-economic point of view: A) Air-to-water heat pump (AWHP) and mechanical ventilation with heat recovery (MVHR), B) Exhaust air heat pump (EAHP) with low-temperature ventilation radiators, and C) Gas boiler and ventilation with MVHR. The systems were simulated for houses with two levels of heating demand and four different locations: Stockholm, Gdansk, Stuttgart and London. They were then evaluated by means of life cycle cost (LCC) and primary energy consumption. Dynamic simulations were done in TRNSYS 17. In most cases, system C with gas boiler and MVHR was found to be the cheapest retrofitting option from a life cycle perspective. The advantage over the heat pump systems was particularly clear for a house in Germany, due to the large discrepancy between national prices of natural gas and electricity. In Sweden, where the price difference is much smaller, the heat pump systems had almost as low or even lower life cycle costs than the gas boiler system. Considering the limited availability of natural gas in Sweden, systems A and B would be the better options. From a primary energy point of view system A was the best option throughout, while system B often had the highest primary energy consumption. The limited capacity of the EAHP forced it to use more auxiliary heating than the other systems did, which lowered its COP. The AWHP managed the DHW load better due to a higher capacity, but had a lower COP than the EAHP in space heating mode. Systems A and C were notably favoured by the air heat recovery, which significantly reduced the heating demand. It was also seen that the DHW share of the total heating consumption was, as expected, larger for the house with the lower space heating demand. This confirms the supposition that it is important to include DHW in the study of HVAC systems for retrofitting.