Performance evaluation of ventilation radiators

A ventilation radiator is a combined ventilation and heat emission unit currently of interest due to its potential for increasing energy efficiency in exhaust ventilated buildings with warm water heating. This paper presents results of performance tests of several ventilation radiator models conducted under controlled laboratory conditions.   The purpose of the study was to validate results achieved by Computational Fluid Dynamics (CFD) in an earlier study and indentify possible improvements in the performance of such systems. The main focus was on heat transfer from internal convection fins, but comfort and health aspects related to ventilation rates and air temperatures were also considered.   The general results from the CFD simulations were confirmed; the heat output of ventilation radiators may be improved by at least 20 % without sacrificing ventilation efficiency or thermal comfort.   Improved thermal efficiency of ventilation radiators allows a lower supply water temperature and energy savings both for heating up and distribution of warm water in heat pumps or district heating systems. A secondary benefit is that a high ventilation rate can be maintained all year around without risk for cold draught.

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.

Comparison of two HVAC renovation solutions : A case study

Within the aging building stock of Europe, there is great potential of saving energy through renovation and upgrading to modern standards, and to thereby approach the internationally set goals of lower energy use. This paper concerns the planned renovation of the building envelope and HVAC systems in a multi-family house in Ludwigsburg, Germany. Five systemic HVAC solutions were compared, with special focus on two systems: A) Balanced ventilation with HRC + Micro heat pump, and B) Forced exhaust ventilation + Heat pump with exhaust air HRC + Ventilation radiators. Given the predicted heating demand and ventilation rate of the house after renovation, the performance of the two systems was compared, alongside three common systems for reference. Calculations were made using TMF Energi, a tool developed by SP Technical Research Institute of Sweden.    Both systems A and B were found to have the lowest electrical energy use together with the ground source heat pump system for the assumed conditions. For other assumptions, including different climate and degree of insulation, some differences between these three systems were noted. Most significant is the increased electrical use of system B for higher heating loads due to limitations in the power available from the heat source, exhaust air, which is dependent on the ventilation rate.

Energy performance comparison of three innovative HVAC systems for renovation through dynamic simulation

In this paper, dynamic simulation was used to compare the energy performance of three innovativeHVAC systems: (A) mechanical ventilation with heat recovery (MVHR) and micro heat pump, (B) exhaustventilation with exhaust air-to-water heat pump and ventilation radiators, and (C) exhaust ventilationwith air-to-water heat pump and ventilation radiators, to a reference system: (D) exhaust ventilation withair-to-water heat pump and panel radiators. System A was modelled in MATLAB Simulink and systems Band C in TRNSYS 17. The reference system was modelled in both tools, for comparison between the two.All systems were tested with a model of a renovated single family house for varying U-values, climates,infiltration and ventilation rates.It was found that A was the best system for lower heating demand, while for higher heating demandsystem B would be preferable. System C was better than the reference system, but not as good as A or B.The difference in energy consumption of the reference system was less than 2 kWh/(m2a) betweenSimulink and TRNSYS. This could be explained by the different ways of handling solar gains, but also bythe fact that the TRNSYS systems supplied slightly more than the ideal heating demand.

Kombinerade bio- och solvärmesystem : Handbok för systemutformning

Syftet med denna skrift är att sammanställa den kunskap som finns beträffande kombinerade pellet- och solvärmesystem för att på så sätt stödja företagen i deras systemutveckling. Denna skrift behandlar erfarenheter som gjorts inom forskning på sol och pellet och omsätter dessa i praktiska råd för systemutformning. Förslag ges på systemutformning, olika tekniska lösningar samt hur systemen bör styras.När solvärme och pellet skall kombineras finns det många möjligheter att koppla ihop systemen. Det finns olika traditioner i olika länder, vilket gör att systemlösningarna varierar från land till land. En generell slutsats är dock att konventionella svenska pannor med inbyggd varmvattenberedning inte är lämpliga i konventionella solvärmesystem. Det ger komplicerade systemlösningar och det är svårt att åstadkomma bra skiktning i tanken.I ett solvärmesystem är det viktigt att tanken kan laddas ur på ett sådant sätt att kraftig skiktning erhålls. Det betyder att tankens botten skall kylas ner till temperaturen på ingående kallvatten och att tankens mellersta del skall kylas till samma temperatur som radiatorreturen. Om solfångaren även vintertid kan arbeta med att förvärma kallvatten av 10 till 20ºC fås en betydligt bättre verkningsgrad på solfångaren än om radiator returen skall förvärmas, som i bästa fall ligger på en temperaturnivå på mellan 30 och 40ºC. Av denna anledning skall radiator returen placeras en bra bit upp från botten i ackumulatortanken och tappvattnet skall förvärmas i en slinga som börjar i tankens botten. Om det finns ett VVC-system måste systemet anslutas på ett speciellt sätt så att inte tankens skiktning störs.En annan viktig parameter i tankens utformning är att värmeförlusterna hålls låga, detta är viktigt för att klara tappvattenlasten mulna perioder och för att hålla energianvändningen låg. I moderna hus där tanken placeras i boutrymmet blir det också en komfortfråga för att undvika över-temperaturer i rummet där tanken placeras. För att få en bra isolering måste man se till att det finns ett lufttätt skikt över hela isoleringen som dessutom sluter tätt mot röranslutningar. Ofrivillig själv-cirkulation i anslutande kretsar som kan kyla av och blanda om ackumulatortanken skall förhindras med backventiler.Vid design av solfångarkretsen måste överhettning och stagnation kunna klaras utan glykolnedbrytning eller andra skador. Partiell förångning innebär att man låter solfångaren koka på ett kontrollerat sätt så att endast ånga blir kvar i solfångaren. Vätska samlas i ett större expansionskärl och systemet återfylls när vätskan kondenserar. Dränerande system med enbart vatten är också en möjlighet, men kräver större noggrannhet vid installationen så att sönderfrysning undviks.Pelletkaminer (luftburna) ger god komfort och lågt elbehov i direktelvärmda hus med öppen planlösning, dvs. om värmen från kaminen kan spridas till alla rum utan att behöva passera genom mer än en dörröppning. Även i lågenergihus kan den luftburna kaminen vara lämplig. I hus med mer sluten planlösning krävs en vattenmantlad kamin med hög andel värme till vattenkretsen och ett vattenburet värmesystem. Det är viktigt att sådana system utformas korrekt för att komforten skall bli hög och elanvändningen låg. Brukarens aspekter och komfortkrav måste beaktas vid användning av kaminer, eftersom det krävs en temperaturskillnad mellan olika rum för att få värmespridning från det rum där kaminen är placerad.

Elbesparing med pelletkaminer och solvärme i direktelvärmda småhus

The aim of this study was to investigate how electricallyheated houses can be converted to using wood pellet and solarheating. There are a large number of wood pellet stoves on themarket. Many stoves have a water jacket, which gives anopportunity to distribute the heat to domestic hot water and aradiator heating system. Three typical Swedish houses with electric resistanceheating have been studied. Fourteen different system conceptsusing wood pellet stoves and solar heating systems have beenevaluated. The systems and the houses have been simulated indetail using TRNSYS. The houses have been divided in up to 10different zones and heat transfer by air circulation throughdoorways and open doors have been simulated. The pellet stoveswere simulated using a recently developed TRNSYS component,which models the start- and stop phases, emissions and thedynamic behaviour of the stoves. The model also calculates theCO-emissions. Simulations were made with one stove without awater jacket and two stoves with different fractions of thegenerated heat distributed in the water circuit. Simulations show that the electricity savings using a pelletstove are greatly affected by the house plan, the systemchoice, if the internal doors are open or closed and thedesired level of comfort. Installing a stove with awater-jacket connected to a radiator system and a hot waterstorage has the advantage that heat can be transferred todomestic hot water and be distributed to other rooms. Suchsystems lead to greater electricity savings, especially inhouses having a traditional layout. It was found that not allrooms needed radiators and that it was more effective in mostcases t use a stove with a higher fraction of the heatdistributed by the water circuit. The economic investigation shows that installing a woodpellet stove without a water jacket gives the lowest totalenergy- and capital costs in the house with an open plan (fortoday's energy prices and the simulated comfort criteria). Inthe houses with a traditional layout a pellet stove givesslightly higher costs than the reference house having onlyelectrical resistance heating due to the fact that less heatingcan be replaced. The concepts including stoves with a waterjacket all give higher costs than the reference system, but theconcept closest to be economical is a system with a bufferstore, a stove with a high fraction of the heat distributed bythe water circuit, a new water radiator heating system and asolar collector. Losses from stoves can be divided into: flue gas lossesincluding leakage air flow when the stove is not in operation;losses during start and stop phases; and losses due to a highair factor. An increased efficiency of the stoves is importantboth from a private economical point of view, but also from theperspective that there can be a lack of bio fuel in the nearfuture also in Sweden. From this point of view it is alsoimportant to utilize as much solar heat as possible. Theutilization of solar heat is low in the simulated systems,depending on the lack of space for a large buffer store. The simulations have shown that the annual efficiency ismuch lower that the nominal efficiency at full power. Thesimulations have also shown that changing the control principlefor the stove can improve efficiency and reduce theCO-emissions. Today's most common control principle for stovesis the on/off control, which results in many starts and stopsand thereby high CO-emissions. A more advanced control varyingthe heating rate from maximum to minimum to keep a constantroom temperature reduces the number of starts and stops andthereby the emissions. Also the efficiency can be higher withsuch a control, and the room temperature will be kept at a moreconstant temperature providing a higher comfort.

Combined solar and pellet heating systems for single-family houses : How to achieve decreased electricity usage, increased system efficiency and increased solar gains

In Sweden, there are about 0.5 million single-family houses that are heated by electricity alone, and rising electricity costs force the conversion to other heating sources such as heat pumps and wood pellet heating systems. Pellet heating systems for single-family houses are currently a strongly growing market. Future lack of wood fuels is possible even in Sweden, and combining wood pellet heating with solar heating will help to save the bio-fuel resources. The objectives of this thesis are to investigate how the electrically heated single-family houses can be converted to pellet and solar heating systems, and how the annual efficiency and solar gains can be increased in such systems. The possible reduction of CO-emissions by combining pellet heating with solar heating has also been investigated. Systems with pellet stoves (both with and without a water jacket), pellet boilers and solar heating have been simulated. Different system concepts have been compared in order to investigate the most promising solutions. Modifications in system design and control strategies have been carried out in order to increase the system efficiency and the solar gains. Possibilities for increasing the solar gains have been limited to investigation of DHW-units for hot water production and the use of hot water for heating of dishwashers and washing machines via a heat exchanger instead of electricity (heat-fed appliances). Computer models of pellet stoves, boilers, DHW-units and heat-fed appliances have been developed and the parameters for the models have been identified from measurements on real components. The conformity between the models and the measurements has been checked. The systems with wood pellet stoves have been simulated in three different multi-zone buildings, simulated in detail with heat distribution through door openings between the zones. For the other simulations, either a single-zone house model or a load file has been used. Simulations were carried out for Stockholm, Sweden, but for the simulations with heat-fed machines also for Miami, USA. The foremost result of this thesis is the increased understanding of the dynamic operation of combined pellet and solar heating systems for single-family houses. The results show that electricity savings and annual system efficiency is strongly affected by the system design and the control strategy. Large reductions in pellet consumption are possible by combining pellet boilers with solar heating (a reduction larger than the solar gains if the system is properly designed). In addition, large reductions in carbon monoxide emissions are possible. To achieve these reductions it is required that the hot water production and the connection of the radiator circuit is moved to a well insulated, solar heated buffer store so that the boiler can be turned off during the periods when the solar collectors cover the heating demand. The amount of electricity replaced using systems with pellet stoves is very dependant on the house plan, the system design, if internal doors are open or closed and the comfort requirements. Proper system design and control strategies are crucial to obtain high electricity savings and high comfort with pellet stove systems. The investigated technologies for increasing the solar gains (DHW-units and heat-fed appliances) significantly increase the solar gains, but for the heat-fed appliances the market introduction is difficult due to the limited financial savings and the need for a new heat distribution system. The applications closest to market introduction could be for communal laundries and for use in sunny climates where the dominating part of the heat can be covered by solar heating. The DHW-unit is economical but competes with the internal finned-tube heat exchanger which is the totally dominating technology for hot water preparation in solar combisystems for single-family houses.

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.

Solcellsdrivet FTX-system för miljonprogramshus : Tjärna Ängar, Borlänge

Projektet omfattade undersökning och framtagande av ett solcellssystem med förmåga att försörja ett FTX-system i ett flerbostadshus från miljonprogrammet med el. För att kunna bedöma storlek och utformning av komponenter har information tagits genom: Informationssökning via databaser, kurslitteratur och intervjuer Simuleringar av solceller i datorprogrammet PVSYST Modulering av ventilationskanaler i datorprogrammet MagiCAD Syftet var främst att undersöka om det gick att få fram ett teoretiskt fungerande system med avseende på både solceller och ventilation. Beroende på vad resultatet blev skulle även ekonomin i projektet undersökas. Undersökningen visade att det teoretiskt ska gå att installera solceller för elframställning som klarar av att täcka FTX-systemets elbehov på årsbasis. Solcellerna bedöms även producera tillräckligt med el för viss övrig elkrävande utrustning under stora delar av året. Det visade sig även att det skulle gå att få solcellerna ekonomiskt lönsamma om en kalkyltid på 14 år används. Metoden som använts för dessa resultat är noga beskriven och är med små förändringar tillämpbar för ett stort antal byggnader i det svenska byggnadsbeståndet. En viktig slutsats är att om fastighetsägarna kan se 15 år fram i tiden för en investering i solenergi, skulle det innebära inte bara miljömässiga utan även ekonomiska vinster. Det finns redan idag kunnande, teknik och produkter för att utvinna en stor del av fastigheternas elbehov genom solens energi.

Frånluftsåtervinning i ett äldre flerfamiljehus : Hovgården - Borlänge

I detta examensarbete undersöktes möjligheten att installera värmeåtervinningssystem för ett flerfamiljehus i Hovgården som ligger en bit utanför Borlänge. I rapporten redovisas två olika sätt för energibesparingar som är aktuella för att ersätta borttagning av oljepannan som används i huset i dag. En rad svårigheter dök upp under undersökningen för installation av nytt värmesystem. Lämpliga lösningar kunde hittas efter mycket analys. Syftet med rapporten var att undersöka möjligheten och lönsamheten för installation av något av följande system; FVP eller VBX-modul som kan återvinna värme ur frånluften. Undersökningen visade att varken VBX eller FVP kan ersätta oljepannans värmeavgivning på ett tillfredsställande sätt. Med VBX ökas COP från 2,8 till 3,11 vilket leder till 17 MWh/år elbesparing. Däremot FVP kan försörja huset med 59 MWh/år men kan inte täcka effektbehovet för gården under kallaste dagarna. Resultatet blev att de båda undersökta systemen inte har möjlighet att ersätta oljeeldning.

Lågtemperaturuppvärmning med tilluftsradiatorer och värmeåtervinning i frånluft : en varsam renovering av flerbostadshus för energieffektivisering

För att nå reella sänkningar av energianvändningen i hela byggnadsbeståndet krävs tillgång till kostnadseffektiva renoveringspaket med energieffektiva systemlösningar där samspel mellan installationssystem och byggnad beaktas. Denna förstudie belyser möjligheter med alternativa renoveringspaket med lågtemperatur-tilluftsradiatorer och värmeåtervinning i frånluften (FX). Systemkombinationer och jämförelser har gjorts med mera etablerade lösningar med traditionella radiatorer, balanserad mekanisk ventilation (FTX) och solvärme. Mindre prövade lösningar såsom frånluftsmoduler (VBX) kopplat till befintliga värmepumpar och behovsstyrd ventilation undersöktes också. Energianvändning och kostnadseffektivitet med de undersökta åtgärdspaketen prövades för två äldre bostadshus med vardera specifika restriktioner: den ena inom fjärrvärmenätet och det andra ett K-märkt hus utanför fjärrvärmenätet. Samtidigt reflekterades det över vilka tekniska lösningar som samtidigt är gynnsammast ur hållbarhetssynpunkt. För flertalet befintliga byggnader behöver såväl metoder som komponenter utvecklas på ett varsamt sätt som uppfyller båda ägarens krav som övergripande mål baserat på systemförutsättning och kostnadseffektivitet. Förstudien visar att:  lågtemperatur-tilluftsradiatorer är en systemkomponent som möjliggör ökad komfort via förvärmning och filtrering av inkommande ventilationsluft, effektivare värmeproduktion och minskning av värmeförluster i distribution av varmvatten. Renovering med installation av FX-system i kombination med lågtemperatur-tilluftradiatorer är ett alternativ till FTX system som begränsar byggåtgärderna i byggnaden och ger lägre livscykelkostnad  Byggnadsskalets täthet blir avgörande för energinyttan båda med FX- och FTX-system. Förstudien visar att FX-system är fördelaktig i byggnader med dålig lufttäthet  I byggnader med befintligt frånluftssystem kan behovsstyrning av ventilationen vara ett enkelt och kostnadseffektivt sätt att sänka ventilationsförlusterna och spara energi som alternativ till att installera återvinningssystem Förstudien visar klart att energieffektiv renovering kan åstadkommas med val av varsamma metoder som också åstadkommer ökad komfort och systemnytta, utanför såväl som inom fjärrvärmenätet. Samtidigt kan ägarens krav på kostandsnytta nås och byggnaders bevarandekrav uppfyllas. Nu krävs det demonstrationsprojekt för att inte minst sprida kunskap i branschen men också applicering på större bostadsområden.

Evaluation of a PVT Air Collector

Hybrid Photovoltaic Thermal (PVT) collectors are an emerging technology that combines PV and solar thermal systems in a single solar collector producing heat and electricity simultaneously. The focus of this thesis work is to evaluate the performance of unglazed open loop PVT air system integrated on a garage roof in Borlänge. As it is thought to have a significant potential for preheating ventilation of the building and improving the PV modules electrical efficiency. The performance evaluation is important to optimize the cooling strategy of the collector in order to enhance its electrical efficiency and maximize the production of thermal energy. The evaluation process involves monitoring the electrical and thermal energies for a certain period of time and investigating the cooling effect on the performance through controlling the air mass flow provided by a variable speed fan connected to the collector by an air distribution duct. The distribution duct transfers the heated outlet air from the collector to inside the building. The PVT air collector consists of 34 Solibro CIGS type PV modules (115 Wp for each module) which are roof integrated and have replaced the traditional roof material. The collector is oriented toward the south-west with a tilt of 29 ᵒ. The collector consists of 17 parallel air ducts formed between the PV modules and the insulated roof surface. Each air duct has a depth of 0.05 m, length of 2.38 m and width of 2.38 m. The air ducts are connected to each other through holes. The monitoring system is based on using T-type thermocouples to measure the relevant temperatures, air sensor to measure the air mass flow. These parameters are needed to calculate the thermal energy. The monitoring system contains also voltage dividers to measure the PV modules voltage and shunt resistance to measure the PV current, and AC energy meters which are needed to calculate the produced electrical energy. All signals recorded from the thermocouples, voltage dividers and shunt resistances are connected to data loggers. The strategy of cooling in this work was based on switching the fan on, only when the difference between the air duct temperature (under the middle of top of PV column) and the room temperature becomes higher than 5 °C. This strategy was effective in term of avoiding high electrical consumption by the fan, and it is recommended for further development. The temperature difference of 5 °C is the minimum value to compensate the heat losses in the collecting duct and distribution duct. The PVT air collector has an area of (Ac=32 m2), and air mass flow of 0.002 kg/s m2. The nominal output power of the collector is 4 kWppv (34 CIGS modules with 115 Wppvfor each module). The collector produces thermal output energy of 6.88 kWth/day (0.21 kWth/m2 day) and an electrical output energy of 13.46 kWhel/day (0.42 kWhel/m2 day) with cooling case. The PVT air collector has a daily thermal energy yield of 1.72 kWhth/kWppv, and a daily PV electrical energy yield of 3.36 kWhel /kWppv. The fan energy requirement in this case was 0.18 kWh/day which is very small compared to the electrical energy generated by the PV collector. The obtained thermal efficiency was 8 % which is small compared to the results reported in literature for PVT air collectors. The small thermal efficiency was due to small operating air mass flow. Therefore, the study suggests increasing the air mass flow by a factor of 25. The electrical efficiency was fluctuating around 14 %, which is higher than the theoretical efficiency of the PV modules, and this discrepancy was due to the poor method of recording the solar irradiance in the location. Due to shading effect, it was better to use more than one pyranometer.

Energy efficient and economic renovation of residential buildings with low-temperature heating and air heat recovery

With the building sector accounting for around 40% of the total energy consumption in the EU, energy efficiency in buildings is and continues to be an important issue. Great progress has been made in reducing the energy consumption in new buildings, but the large stock of existing buildings with poor energy performance is probably an even more crucial area of focus. This thesis deals with energy efficiency measures that can be suitable for renovation of existing houses, particularly low-temperature heating systems and ventilation systems with heat recovery. The energy performance, environmental impact and costs are evaluated for a range of system combinations, for small and large houses with various heating demands and for different climates in Europe. The results were derived through simulation with energy calculation tools. Low-temperature heating and air heat recovery were both found to be promising with regard to increasing energy efficiency in European houses. These solutions proved particularly effective in Northern Europe as low-temperature heating and air heat recovery have a greater impact in cold climates and on houses with high heating demands. The performance of heat pumps, both with outdoor air and exhaust air, was seen to improve with low-temperature heating. The choice between an exhaust air heat pump and a ventilation system with heat recovery is likely to depend on case specific conditions, but both choices are more cost-effective and have a lower environmental impact than systems without heat recovery. The advantage of the heat pump is that it can be used all year round, given that it produces DHW. Economic and environmental aspects of energy efficiency measures do not always harmonize. On the one hand, lower costs can sometimes mean larger environmental impact; on the other hand there can be divergence between different environmental aspects. This makes it difficult to define financial subsidies to promote energy efficiency measures.

Steel Sheet Applications and Integrated Heat Management

Increasing energy use has caused many environmental problems including global warming. Energy use is growing rapidly in developing countries and surprisingly a remarkable portion of it is associated with consumed energy to keep the temperature comfortable inside the buildings. Therefore, identifying renewable technologies for cooling and heating is essential. This study introduced applications of steel sheets integrated into the buildings to save energy based on existing technologies. In addition, the proposed application was found to have a considerable chance of market success. Also, satisfying energy needs for space heating and cooling in a single room by using one of the selected applications in different Köppen climate classes was investigated to estimate which climates have a proper potential for benefiting from the application. This study included three independent parts and the results related to each part have been used in the next part. The first part recognizes six different technologies through literature review including Cool Roof, Solar Chimney, Steel Cladding of Building, Night Radiative Cooling, Elastomer Metal Absorber, and Solar Distillation. The second part evaluated the application of different technologies by gathering the experts’ ideas via performing a Delphi method. The results showed that the Solar Chimney has a proper chance for the market. The third part simulated both a solar chimney and a solar chimney with evaporation which were connected to a single well insulated room with a considerable thermal mass. The combination was simulated as a system to estimate the possibility of satisfying cooling needs and heating needs in different climate classes. A Trombe-wall was selected as a sample design for the Solar Chimney and was simulated in different climates. The results implied that the solar chimney had the capability of reducing the cooling needs more than 25% in all of the studied locations and 100% in some locations with dry or temperate climate such as Mashhad, Madrid, and Istanbul. It was also observed that the heating needs were satisfied more than 50% in all of the studied locations, even for the continental climate such as Stockholm and 100% in most locations with a dry climate. Therefore, the Solar Chimney reduces energy use, saves environment resources, and it is a cost effective application. Furthermore, it saves the equipment costs in many locations. All the results mentioned above make the solar chimney a very practical and attractive tool for a wide range of climates.