Load Adapted Solar Thermal Combisystems - Optical Analysis and Systems Optimization

In a northern European climate a typical solar combisystem for a single family house normally saves between 10 and 30 % of the auxiliary energy needed for space heating and domestic water heating. It is considered uneconomical to dimension systems for higher energy savings. Overheating problems may also occur. One way of avoiding these problems is to use a collector that is designed so that it has a low optical efficiency in summer, when the solar elevation is high and the load is small, and a high optical efficiency in early spring and late fall when the solar elevation is low and the load is large.The study investigates the possibilities to design the system and, in particular, the collector optics, in order to match the system performance with the yearly variations of the heating load and the solar irradiation. It seems possible to design practically viable load adapted collectors, and to use them for whole roofs ( 40 m2) without causing more overheating stress on the system than with a standard 10 m2 system. The load adapted collectors collect roughly as much energy per unit area as flat plate collectors, but they may be produced at a lower cost due to lower material costs. There is an additional potential for a cost reduction since it is possible to design the load adapted collector for low stagnation temperatures making it possible to use less expensive materials. One and the same collector design is suitable for a wide range of system sizes and roof inclinations. The report contains descriptions of optimized collector designs, properties of realistic collectors, and results of calculations of system output, stagnation performance and cost performance. Appropriate computer tools for optical analysis, optimization of collectors in systems and a very fast simulation model have been developed.

Simulation of Photovoltaic Panel Production as Complement to Ground Source Heat Pump System

This master thesis presents a new technological combination of two environmentally friendly sources of energy in order to provide DHW, and space heating. Solar energy is used for space heating, and DHW production using PV modules which supply direct current directly to electrical heating elements inside a water storage tank. On the other hand a GSHP system as another source of renewable energy provides heat in the water storage tank of the system in order to provide DHW and space heating. These two sources of renewable energy have been combined in this case-study in order to obtain a more efficient system, which will reduce the amount of electricity consumed by the GSHP system.The key aim of this study is to make simulations, and calculations of the amount ofelectrical energy that can be expected to be produced by a certain amount of PV modules that are already assembled on a house in Vantaa, southern Finland. This energy is then intended to be used as a complement to produce hot water in the heating system of the house beside the original GSHP system. Thus the amount of electrical energy purchased from the grid should be reduced and the compressor in the GSHP would need fewer starts which would reduce the heating cost of the GSHP system for space heating and providing hot water.The produced energy by the PV arrays in three different circuits will be charged directly to three electrical heating elements in the water storage tank of the existing system to satisfy the demand of the heating elements. The excess energy can be used to heat the water in the water storage tank to some extent which leads to a reduction of electricity consumption by the different components of the GSHP system.To increase the efficiency of the existing hybrid system, optimization of different PV configurations have been accomplished, and the results are compared. Optimization of the arrays in southern and western walls shows a DC power increase of 298 kWh/year compared with the existing PV configurations. Comparing the results from the optimization of the arrays on the western roof if the intention is to feed AC power to the components of the GSHP system shows a yearly AC power production of 1,646 kWh.This is with the consideration of no overproduction by the PV modules during the summer months. This means the optimized PV systems will be able to cover a larger part of summer demand compared with the existing system.

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.