Effektiviseringspotential för värmesystem med sol och pellets : Parameterstudier, emissionsfaktoreroch simuleringsresultat

Syftet med denna studie är att hitta driftsbetingelser som sänker pelletsförbrukning och utsläpp och därmed även de totala kostnaderna för ett värmesystem. Värmesystemet har två huvudsakliga energikällor; sol och pellets. En elpatron används också, för att täcka upp med värme när solen lyser med sin frånvaro och pelletsystemet inte har hunnit börja leverera värme,till exempel i samband med start av brännaren. Lasten utgör värme till ett småhus av dagens standard och tappvarmvattenbehov.

Dynamic whole system testing of combined renewable heating systems : the current state of the art

Objective: For the evaluation of the energetic performance of combined renewable heating systems that supply space heat and domestic hot water for single family houses, dynamic behaviour, component interactions, and control of the system play a crucial role and should be included in test methods. Methods: New dynamic whole system test methods were developed based on “hardware in the loop” concepts. Three similar approaches are described and their differences are discussed. The methods were applied for testing solar thermal systems in combination with fossil fuel boilers (heating oil and natural gas), biomass boilers, and/or heat pumps. Results: All three methods were able to show the performance of combined heating systems under transient operating conditions. The methods often detected unexpected behaviour of the tested system that cannot be detected based on steady state performance tests that are usually applied to single components. Conclusion: Further work will be needed to harmonize the different test methods in order to reach comparable results between the different laboratories. Practice implications: A harmonized approach for whole system tests may lead to new test standards and improve the accuracy of performance prediction as well as reduce the need for field tests.

Vad är elever i årskurs 4-6 intresserade av inomnaturvetenskap? : En enkätundersökning om elevers intresse

Syftet med denna studie är att undersöka vad elever i årskurs 4-6 anser är intressant inom naturvetenskap.Studiens syfte undersöktes genom en kvantitativ metod i form av en enkät. Det är väsentligt att undersökaelevers intresseområden eftersom ett intresse inom ett ämnesområde stimulerar lärandet och förbättrardärmed även resultatet. Studien har en teoretisk anknytning till socialkonstruktivism. Tre klasser, enårskurs 4, en årskurs 5 och en årskurs 6 från samma grundskola i Mellansverige, svarade på enkäten. Totaltmedverkade 46 elever. Eleverna tenderar att vara mer positivt än negativt inställda till NO-ämnena. NOär dock inte favoritämne hos någon av eleverna. Eleverna är mest intresserade av djur, ämnen (kemi) samtkroppen. Flera flickor, men inga pojkar, visar intresse för växter. Flera pojkar, men inga flickor, visarintresse för energi. De ämnesområden som eleverna finner mest intressanta återfinns i Lgr 11, men är intede som eleverna i första hand tycker att de har blivit undervisade i och arbetat med. Lärandet processasnär eleverna får ägna sig åt de områden som de finner intressanta. Detta skapar ett positivt förhållningssätttill utbildning och lärande då lärandedimensionerna påverkas av intresset.Sökord

Monitoring results of combined pellet and solar heating system

In this study the monitoring results of prototype installation of a recently developed solar combisystem have been evaluated. The system, that uses a water jacketed pellet stove as auxiliary heater, was installed in a single family house in Borlänge/Sweden. In order to allow an evaluation under realistic conditions the system has been monitored for a time period of one year. From the measurements of the system it could be seen that it is important that the pellet stove has a sufficient buffer store volume to minimize cycling. The measurements showed also that the stove gives a lower share of the produced heat to the water loop than measured under stationary conditions. The solar system works as expected and covers the heat demand during the summer and a part of the heat demand during spring and autumn. Potential for optimization exists for the parasitic electricity demand. The system consumes 680 kWh per year for pumps, valves and controllers which is more than 4% of the total primary heating energy demand.

Annual CO-emissions of combined pellet and solar heating systems

Emissions are an important aspect of a pellet heating system. High carbon monoxide emissions are often caused by unnecessary cycling of the burner when the burner is operated below the lowest combustion power. Combining pellet heating systems with a solar heating system can significantly reduce cycling of the pellet heater and avoid the inefficient summer operation of the pellet heater. The aim of this paper was to study CO-emissions of the different types of systems and to compare the yearly CO-emissions obtained from simulations with the yearly CO-emissions calculated based on the values that are obtained by the standard test methods. The results showed that the yearly CO-emissions obtained from the simulations are significant higher than the yearly CO-emissions calculated based on the standard test methods. It is also shown that for the studied systems the average emissions under these realistic annual conditions were greater than the limit values of two Eco-labels. Furthermore it could be seen that is possible to almost halve the CO-emission if the pellet heater is combined with a solar heating system.

Thermal losses in sealed, gas-filled flat plate solar collectors

A sealed space between absorber and cover glass makes it possible reducing the influence of humidity condensate and dust at the same time as the enclosed space can be filled with a suitable gas for lowering the losses. This paper is about the size of the losses in these collectors. A calculating model of a gas-filled flat plate solar collector was built in Matlab with standard heat transfer formulas. It showed that the total loss can be reduced up to 20% when changing to an inert gas. It is also possible using a much shorter distance and still achieve low losses at the same time as the mechanical stresses in the material is reduce.

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.

Marknadspotential för sol- och biovärmesystem

I denna rapport analyseras marknaden för kombinerade sol- och pelletsystem, med fokus påsmåhus. Syftet är att presentera antalet objekt inom olika kategorier av hus och värmesystemsom kan vara intressanta för konvertering till bio-sol system samt att ge en uppskattning avårliga uppvärmningsbehov inom respektive kategori. Energistatistik från Statistiska centralbyrån (SCB) har använts i kombination med tidigarestudier av byggnadsbestånd och byggnadsutformning. Dessutom har information inhämtatsfrån olika branschorganisationer. Från föreliggande genomgång står det klart att den största potentialen för bio-sol systemfinns på villamarknaden både för helt nya system och för kompletteringar till befintliga system.År 2006 fanns det 775 000 småhus med vattenburen värme varav ca 183 000 hade vattenburenel. Uppskattningsvis fanns 109 000 småhus med både vattenburen el och lokaleldstadför biobränsle och ca 118 000 hus bedöms ha haft möjlighet till oljeeldning (dennagrupp har troligtvis minskat ytterligare efter 2006). Bland de elvärmda husen finns också ca102 000 småhus med frånluftvärmepumpar eller luft/vattenvärmepumpar. 365 000 av husenhade en biobränslepanna. Därtill kommer 504 000 hus med direktelvärme, varav ca 292 000med lokaleldstad. Medelförbrukningen för uppvärmning och varmvatten för hus som enbart värms med olja ärca 27 MWh/år, medan motsvarande värde för småhus med vattenburen el är ca 15 MWh/år.Småhusen med direktel använder ca 12 MWh/år för uppvärmning och varmvatten. Det betyderatt ekonomin blir betydligt sämre vid konvertering av elvärmda hus jämfört med oljekonvertering,eftersom energibehovet är lägre samt att installationskostnaden kan vara högre.En uppskattning av antalet komponenter som inom 10 år kan komma att installeras i dessahus är 213 000 solfångare, 108 000 ackumulatortankar, 106 000 skorstenar, 84 000 luftburnapelletkaminer och varmvattenberedare, 40 000 vattenmantlade kaminer och 28 000 pannrumspannor.Dessutom tillkommer en utbytesmarknad, kanske speciellt bland husen medbiobränslepanna, där gamla pannor byts ut eller äldre människor som tidigare orkat elda medved till slut byter till pelleteldning. Av nybyggda villor uppvärms ca 30 % med el i kombination med biobränsle (troligtvis lokaleldstad)och ungefär lika stor andel värms med enbart vattenburen el (antagligen oftakompletterat med frånluftvärmepump). Det borde vara av intresse att redan vid nybyggnationenfå in integrerade solfångare och pelleteldning i större utsträckning i nya hus och det kanbli lättare efter att byggreglerna ändras den 1:a januari 2010 med en skärpning av kraven förnybyggda hus som använder el för uppvärmning, alltså även el till värmepumpar. Potentialen för bio-solsystem till flerbostadshus och lokaler är begränsad då 86 % av flerbostadshusenoch nära 70 % av lokalerna värms med fjärrvärme. Det fanns år 2006 ca 6200lokaler med oljeeldning, 4600 lokaler med vattenburen elvärme och 5700 lokaler med direktverkandeelvärme. I lokalerna som redovisas av SCB ingår inte tillverkande industri. Förlägenheter i flerbostadshus gäller att ca 42 000 lägenheter värms med enbart olja, 44 000lägenheter med olja och värmepump, 48 000 lägenheter använder direktel och 31 000 lägenhetervattenburen el.

Simulation study of cascade heat pump for solar combisystems

This paper focuses on the study of cascade heat pump systems in combination with solar thermal for the production of hot water and space heating in single family houses with relatively high heating demand. The system concept was developed by Ratiotherm GmbH and simulated with TRNSYS 17. The basic cascade system uses the heat pump and solar collectors in parallel operation while a further development is the inclusion of an intermediate store that enables the possibility of serial/parallel operation and the use of low temperature solar heat. Parametric studies in terms of compressor size, refrigerant pair and size of intermediate heat exchanger were carried out for the optimization of the basic system. The system configurations were simulated for the complete year and compared to a reference of a solar thermal system combined with an air source heat pump. The results show ~13% savings in electricity use for all three cascade systems compared to the reference. However, the complexity of the systems is different and thus higher capital costs are expected.

Testing of combined heating systems for small houses: Improved procedures for whole system test methods : Deliverable 2.3

Dynamic system test methods for heating systems were developed and applied by the institutes SERC and SP from Sweden, INES from France and SPF from Switzerland already before the MacSheep project started. These test methods followed the same principle: a complete heating system – including heat generators, storage, control etc., is installed on the test rig; the test rig software and hardware simulates and emulates the heat load for space heating and domestic hot water of a single family house, while the unit under test has to act autonomously to cover the heat demand during a representative test cycle. Within the work package 2 of the MacSheep project these similar – but different – test methods were harmonized and improved. The work undertaken includes:  • Harmonization of the physical boundaries of the unit under test. • Harmonization of the boundary conditions of climate and load. • Definition of an approach to reach identical space heat load in combination with an autonomous control of the space heat distribution by the unit under test. • Derivation and validation of new six day and a twelve day test profiles for direct extrapolation of test results.   The new harmonized test method combines the advantages of the different methods that existed before the MacSheep project. The new method is a benchmark test, which means that the load for space heating and domestic hot water preparation will be identical for all tested systems, and that the result is representative for the performance of the system over a whole year. Thus, no modelling and simulation of the tested system is needed in order to obtain the benchmark results for a yearly cycle. The method is thus also applicable to products for which simulation models are not available yet. Some of the advantages of the new whole system test method and performance rating compared to the testing and energy rating of single components are:  • Interaction between the different components of a heating system, e.g. storage, solar collector circuit, heat pump, control, etc. are included and evaluated in this test. • Dynamic effects are included and influence the result just as they influence the annual performance in the field. • Heat losses are influencing the results in a more realistic way, since they are evaluated under "real installed" and representative part-load conditions rather than under single component steady state conditions.   The described method is also suited for the development process of new systems, where it replaces time-consuming and costly field testing with the advantage of a higher accuracy of the measured data (compared to the typically used measurement equipment in field tests) and identical, thus comparable boundary conditions. Thus, the method can be used for system optimization in the test bench under realistic operative conditions, i.e. under relevant operating environment in the lab.   This report describes the physical boundaries of the tested systems, as well as the test procedures and the requirements for both the unit under test and the test facility. The new six day and twelve day test profiles are also described as are the validation results.

Demonstration of Solar Heating and Cooling System using Sorption Integrated Solar Thermal Collectors

Producing cost-competitive small and medium-sized solar cooling systems is currently a significant challenge. Due to system complexity, extensive engineering, design and equipment costs; the installation costs of solar thermal cooling systems are prohibitively high. In efforts to overcome these limitations, a novel sorption heat pump module has been developed and directly integrated into a solar thermal collector. The module comprises a fully encapsulated sorption tube containing hygroscopic salt sorbent and water as a refrigerant, sealed under vacuum with no moving parts. A 5.6m2 aperture area outdoor laboratory-scale system of sorption module integrated solar collectors was installed in Stockholm, Sweden and evaluated under constant re-cooling and chilled fluid return temperatures in order to assess collector performance. Measured average solar cooling COP was 0.19 with average cooling powers between 120 and 200 Wm-2 collector aperture area. It was observed that average collector cooling power is constant at daily insolation levels above 3.6 kWhm-2 with the cooling energy produced being proportional to solar insolation. For full evaluation of an integrated sorption collector solar heating and cooling system, under the umbrella of a European Union project for technological innovation, a 180 m2 large-scale demonstration system has been installed in Karlstad, Sweden. Results from the installation commissioned in summer 2014 with non-optimised control strategies showed average electrical COP of 10.6 and average cooling powers between 140 and 250 Wm-2 collector aperture area. Optimisation of control strategies, heat transfer fluid flows through the collectors and electrical COP will be carried out in autumn 2014.

Övervakning och pulsad laddning av bly-syra batterier

Arvika som en följd av samtal kring möjligheten att anpassa deras strömpulsbaserade rekonditioneringssystem, utvecklat för större truckbatterier, till att kunna återvinna förlorad kapacitet även i mindre batterier. Idén grundar sig bland annat i att åldring av batterier ofta är en primär begränsning för funktionen hos fristående solcellssystem. Studien, som till stor del är en sammanställning av vetenskapliga artiklar, syftar till att bidra med bättre grundläggande förståelse för hur pulsad laddning verkar på bly-syra batterier och deras elektrokemi. I synnerhet har grundläggande skillnader mellan större öppna batterier och mindre slutna batterier pekats ut, och ett antal parametrar som bestämmer pulsprocessens verkan identifierarats; frekvens, pulsspänning och laddningsgrad. Förhoppningen är att den mer teoretiska sammanställningen i förlängningen skall kunna bidra till att de företag i regionen som arbetar med denna teknik kan optimera funktionen i sina produkter. För att kunna säkra funktionen hos ett batteri så måste man kunna bedöma batteriets hälsotillstånd, och identifiera degradering på ett relativt tidigt stadium. En andra del av förstudien berör därför möjliga tillvägagångsätt att via mätningar på batteriets två poler kunna bestämma dess hälsotillstånd – och framförallt peka på de begränsningar dessa metoder har. Syftet är att bidra med grunden till en eventuell utveckling av ett enkelt batteriövervakningssystem som skall kunna ge användaren en tydlig och tidig signal om att det är dags för service. Sannolikt krävs det att man mäter en kombination av flertalet parametrar för att kunna åstadkomma detta, och i synnerhet blir förutsättningarna bättre om parametrar kan loggas över tid. Sammanfattningsvis diskuteras i mer övergripande och spekulativa ordalag den utmaning som den brokiga samling mindre batteri i många utvecklingsländer innebär. För att trygga funktionen behöver en organisation för batteriservice med kunniga tekniker byggas upp tillsammans med tekniska produkter för exempelvis övervakning.

Energieffektivisering av klimatskal i tropiskt klimat : Fallstudie av en byggnad i Surabaya, Indonesien

Studien omfattar en undersökning av en byggnad i Surabaya, Indonesien belägen på universitet UBAYA. Användningen av luftkonditionering ökar kraftigt i utvecklingsländer. Detta gör att behovet av förbättringar i såväl klimatanläggningar som i byggnader kommer att vara nödvändiga för att inte orsaka ytterligare påfrestningar på miljön genom ökad energianvändning Syftet med studien är att hitta energibesparande åtgärder på byggnadens klimatskal med hänsyn till det tropiska klimatet utan att orsaka fuktproblem i ingående byggnadsdelar. Byggnaden fungerar i dagsläget bra ur fuktsynpunkt och har inga direkt synliga skador orsakade av fuktproblem i konstruktionen. Däremot påvisar det höga uvärdet för byggnaden dess ineffektivitet gällande energibehov. Fyra olika åtgärdsförslag med utgångspunkt i den nuvarande konstruktionen presenteras i studien. Åtgärdsförslagen utvärderas ur fuktsynpunkt med programmet WUFI samt ur ett energimässigt perspektiv med programmet Polysun. Resultatet visar att störst energibesparing kan ske genom att isolera taket då det visar sig vara en stor värmekälla till byggnaden. Denna åtgärd innebär samtidigt en viss risk för fuktproblem på grund av höga relativa fukthalter och temperaturer. Även en tätning av de nuvarande läckagen i byggnaden påverkar energiförbrukningen i stor utsträckning, vilket gör dessa två åtgärder till den bästa kombinationen för att sänka energiförbrukningen. Att byta ut nuvarande englaskassetter mot tvåglas samt isolera de befintliga ytterväggarna är de åtgärder som påverkar energibehovet minst. Några av de slutsatser som dras ur studien är att totalt sett kan byggnadens energiförbrukning sänkas med 50 % om samtliga åtgärdsförslag genomförs. Fuktriskerna ökar vid isoleringsåtgärder men är genomförbara.

Simple Question, Complex Answer : Pathways Towards a 50% Decrease in Building Energy Use

Addressing building energy use is a pressing issue for building sector decision makers across Europe. In Sweden, some regions have adopted a target of reducing energy use in buildings by 50% until 2050. However, building codes currently do not support as ambitious objectives as these, and novel approaches to addressing energy use in buildings from a regional perspective are called for. The purpose of this licentiate thesis was to provide a deeper understanding of most relevant issues with regard to energy use in buildings from a broad perspective and to suggest pathways towards reaching the long-term savings objective. Current trends in building sector structure and energy use point to detached houses constructed before 1981 playing a key role in the energy transition, especially in the rural areas of Sweden. In the Swedish county of Dalarna, which was used as a study area in this thesis, these houses account for almost 70% of the residential heating demand. Building energy simulations of eight sample houses from county show that there is considerable techno-economic potential for energy savings in these houses, but not quite enough to reach the 50% savings objective. Two case studies from rural Sweden show that savings well beyond 50% are achievable, both when access to capital and use of high technology are granted and when they are not. However, on a broader scale both direct and indirect rebound effects will have to be expected, which calls for more refined approaches to energy savings. Furthermore, research has shown that the techno-economic potential is in fact never realised, not even in the most well-designed intervention programmes, due to the inherent complexity of human behaviour with respect to energy use. This is not taken account of in neither current nor previous Swedish energy use legislation. Therefore an approach that considers the technical prerequisites, economic aspects and the perspective of the many home owners, based on Community-Based Social Marketing methodology, is suggested as a way forward towards reaching the energy savings target.

Emissions Characterisation of residential pellet boilers during start-up and stop periods

In this study, gaseous emissions and particles are measured during start-up and stop periods for an over-fed boiler and an under-fed boiler. Both gaseous and particulate matter emissions are continuously measured in the laboratory. The measurement of gaseous emissions includes oxygen (O2), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitrogen oxide and (NO). The emissions rates are calculated from measured emissions concentrations and flue gas flow. The behaviours of the boilers during start-up and stop periods are analysed and the emissions are characterised in terms of CO, NO, TOC and particles (PM2.5 mass and number). The duration of the characterised periods vary between two boilers due to the difference in type of ignition and combustion control. The under-fed boiler B produces higher emissions during start-up periods than the over-fed boiler A. More hydrocarbon and particles are emitted by the under-fed boiler during stop periods. Accumulated mass of CO and TOC during start-up and stop periods contribute a major portion of the total mass emitted during whole operation. However, accumulated mass of NO and PM during start-up and stop periods are not significant as the duration of emission peak is relatively short.