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.

Economic Evaluation of a Solar Charged Thermal Energy Store for Space Heating

A thermal energy store corrects the misalignment of heating demand in the winter relative to solar thermal energy gathered in the summer. This thesis reviews the viability of a solar charged hot water tank thermal energy store for a school at latitude 56.25N, longitude -120.85W

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.

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.

A study of thermodynamic characteristics and predictive computer modelling of an air to water heat pump system

A study on heat pump thermodynamic characteristics has been made in the laboratory on a specially designed and instrumented air to water heat pump system. The design, using refrigerant R12, was based on the requirement to produce domestic hot water at a temperature of about 50 °C and was assembled in the laboratory. All the experimental data were fed to a microcomputer and stored on disk automatically from appropriate transducers via amplifier and 16 channel analogue to digital converters. The measurements taken were R12 pressures and temperatures, water and R12 mass flow rates, air speed, fan and compressor input powers, water and air inlet and outlet temperatures, wet and dry bulb temperatures. The time interval between the observations could be varied. The results showed, as expected, that the COP was higher at higher air inlet temperatures and at lower hot water output temperatures. The optimum air speed was found to be at a speed when the fan input power was about 4% of the condenser heat output. It was also found that the hot water can be produced at a temperature higher than the appropriate R12 condensing temperature corresponding to condensing pressure. This was achieved by condenser design to take advantage of discharge superheat and by further heating the water using heat recovery from the compressor. Of the input power to the compressor, typically about 85% was transferred to the refrigerant, 50 % by the compression work and 35% due to the heating of the refrigerant by the cylinder wall, and the remaining 15% (of the input power) was rejected to the cooling medium. The evaporator effectiveness was found to be about 75% and sensitive to the air speed. Using the data collected, a steady state computer model was developed. For given input conditions s air inlet temperature, air speed, the degree of suction superheat , water inlet and outlet temperatures; the model is capable of predicting the refrigerant cycle, compressor efficiency, evaporator effectiveness, condenser water flow rate and system Cop.

Geothermal district heating networks: modelling novel operational strategies incorporating heat storage

The value of integrating a heat storage into a geothermal district heating system has been investigated. The behaviour of the system under a novel operational strategy has been simulated focusing on the energetic, economic and environmental effects of the new strategy of incorporation of the heat storage within the system. A typical geothermal district heating system consists of several production wells, a system of pipelines for the transportation of the hot water to end-users, one or more re-injection wells and peak-up devices (usually fossil-fuel boilers). Traditionally in these systems, the production wells change their production rate throughout the day according to heat demand, and if their maximum capacity is exceeded the peak-up devices are used to meet the balance of the heat demand. In this study, it is proposed to maintain a constant geothermal production and add heat storage into the network. Subsequently, hot water will be stored when heat demand is lower than the production and the stored hot water will be released into the system to cover the peak demands (or part of these). It is not intended to totally phase-out the peak-up devices, but to decrease their use, as these will often be installed anyway for back-up purposes. Both the integration of a heat storage in such a system as well as the novel operational strategy are the main novelties of this thesis. A robust algorithm for the sizing of these systems has been developed. The main inputs are the geothermal production data, the heat demand data throughout one year or more and the topology of the installation. The outputs are the sizing of the whole system, including the necessary number of production wells, the size of the heat storage and the dimensions of the pipelines amongst others. The results provide several useful insights into the initial design considerations for these systems, emphasizing particularly the importance of heat losses. Simulations are carried out for three different cases of sizing of the installation (small, medium and large) to examine the influence of system scale. In the second phase of work, two algorithms are developed which study in detail the operation of the installation throughout a random day and a whole year, respectively. The first algorithm can be a potentially powerful tool for the operators of the installation, who can know a priori how to operate the installation on a random day given the heat demand. The second algorithm is used to obtain the amount of electricity used by the pumps as well as the amount of fuel used by the peak-up boilers over a whole year. These comprise the main operational costs of the installation and are among the main inputs of the third part of the study. In the third part of the study, an integrated energetic, economic and environmental analysis of the studied installation is carried out together with a comparison with the traditional case. The results show that by implementing heat storage under the novel operational strategy, heat is generated more cheaply as all the financial indices improve, more geothermal energy is utilised and less fuel is used in the peak-up boilers, with subsequent environmental benefits, when compared to the traditional case. Furthermore, it is shown that the most attractive case of sizing is the large one, although the addition of the heat storage most greatly impacts the medium case of sizing. In other words, the geothermal component of the installation should be sized as large as possible. This analysis indicates that the proposed solution is beneficial from energetic, economic, and environmental perspectives. Therefore, it can be stated that the aim of this study is achieved in its full potential. Furthermore, the new models for the sizing, operation and economic/energetic/environmental analyses of these kind of systems can be used with few adaptations for real cases, making the practical applicability of this study evident. Having this study as a starting point, further work could include the integration of these systems with end-user demands, further analysis of component parts of the installation (such as the heat exchangers) and the integration of a heat pump to maximise utilisation of geothermal energy.

Do intelligent heating controls out-smart ordinary users?

Nearly a third of UK gas and electricity is used in homes, of which 80% is for space heating and hot water provision. Rising consumer bills, concerns about climate change and the surge in personal digital technology use has provoked the development of intelligent domestic heating controls. Whilst the need for having suitable control of the home heating system is essential for reducing domestic energy use, these heating controls rely on appropriate user interaction to achieve a saving and it is unclear whether these ‘smart’ heating controls enhance the use of domestic heating or reduce energy demand. This paper describes qualitative research undertaken with a small sample of UK householders to understand how people use new heating controls installed in their homes and what the requirements are for improved smart heating control design. The paper identifies, against Nielsen’s usability heuristics, the divergence between the householder’s use, understanding and expectations of the heating system and the actual design of the system. Digital and smart heating control systems should be designed to maximise usability so that they can be effectively used for efficient heating control by all users. The research highlights the need for development of new systems to readdress the needs of users and redefine the system requirements.

Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Projecto de AVAC de um edifício com multiutilização

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Optimização do tratamento por lamas activadas do efluente líquido da Mundotêxtil

A Mundotêxtil foi fundada em 1975 tendo iniciado a sua actividade na área comercial de produtos têxteis. Actualmente é o maior produtor nacional de atoalhados de felpo e emprega 575 colaboradores. Como resultado do seu crescimento e sobretudo da actividade de tingimento de fio e felpo, as necessidades de água são consideráveis e o volume de efluentes gerados nos processos industriais é cada vez maior a empresa avançou com a construção de uma estação de tratamento por lamas activadas, colocando-a em funcionamento em Setembro de 2004. Inicialmente surgiram dificuldades para a remoção da cor e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO) de modo a cumprir os limites máximos de emissão permitidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto. Com a descarga de parte dos efluentes no SIDVA e a utilização de um coagulante adicionado ao reactor o tratamento passou a apresentar melhores resultados. O intuito deste trabalho é o de apresentar soluções de modo a optimizar o funcionamento do tratamento biológico da Mundotêxtil. A optimização pode começar na concepção dos produtos, pode incidir no processo de fabrico para além de poder ser efectuada no seio da estação de tratamento biológico. Foi efectuado um estudo do tratamento biológico por lamas activadas no Laboratório de Tecnologia Química Profª Doutora Lída de Vasconcelos, laboratório tecnológico do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) que decorreu nos meses de Maio, Junho e Julho de 2010. O estudo laboratorial foi efectuado para três situações distintas: 1) tratamento do efluente bruto sem qualquer tipo de pré-tratamento (ensaios 1 a 3); 2) tratamento do efluente bruto submetido a pré-tratamento com coagulante Ambifloc BIO MD (ensaios 4 e 5) e 3) tratamento com adição de fungos ao tanque de arejamento (ensaio 6). Foram utilizadas duas instalações de tratamento alimentadas a partir do mesmo tanque de alimentação. Os dois sistemas eram idênticos, diferiram nos caudais de alimentação de efluente que foram alterados ao longo do estudo. O efluente a tratar foi fornecido pela empresa Mundotêxtil, sendo recolhido por diversas vezes ao longo dos ensaios. Este efluente foi retirado após o pré-tratamento da empresa, ou seja este efluente é o mesmo que alimenta o tratamento biológico da Mundotêxtil. Devido a este facto o efluente usado no estudo laboratorial teve uma variabilidade no período em que decorreu o estudo, nomeadamente em termos de concentração de CQO e cor. A relação entre a Carência Bioquímica (CBO5) e a CQO situouse entre 0,47 e 0,63 o que traduz que está dentro dos valores típicos para um efluente têxtil. Os melhores resultados globais de remoção de CQO foram obtidos no ensaio 5 e estiveram compreendidos entre 73,2% e 77,5% para o ensaio 5.1 e entre 62,9 e 73,2% para o ensaio 5.2. Neste ensaio foi utilizado o coagulante. Todos os valores de concentração de CQO obtidos nos efluentes dos decantadores para os ensaios 2, 5 e 6 são inferiores aos valores limite de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e o Decreto-Lei 236/98. Os valores de concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST), pH, fósforo, CBO5 e cor nos decantadores cumpriram os limites de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98 em todos os ensaios. Os parâmetros cinéticos obtidos para os ensaios com descorante são os que melhor se ajustam ao projecto de uma instalação de tratamento biológico por lamas activadas do efluente da Mundotêxtil. Os valores obtidos, após ajuste, são os seguintes: k=0,015 L/(mgSSV*d); Sn=12 mg/L; a=0,7982 kgO2/kgCBO5; b=0,0233 [kgO2/(kgSSV*d); y=0,2253 kgSSV/kgCBO5; kd=0,0036 kgSSV/(kgSSV*d. Com base nos parâmetros cinéticos obtiveram-se os seguintes resultados para o projecto de uma estação de tratamento biológico por lamas activadas: · Tempo de retenção hidráulica no reactor de 1,79 d, · Volume do reactor igual a 3643 m3 · Consumo de oxigénio no reactor de 604 kg/d · Razão de recirculação igual a 0,8 · Volume total do decantador secundário igual a 540 m3 · Diâmetro do decantador secundário igual a 15 m A quantidade de oxigénio necessário é baixa e o valor mais adequado deverá ser da ordem de 1200 kg/d. Também foi efectuada uma análise aos produtos químicos consumidos pela empresa na área das tinturarias com a finalidade de identificar as substâncias com uma maior influência potencial no funcionamento da Estação de Tratamento Biológico. O encolante CB, Cera Têxtil P Líquida, Perfemina P-12, Meropan DPE-P, Meropan BRE-P, Indimina STS e Benzym TEC são os produtos químicos que têm uma influência potencial mais significativa na qualidade dos efluentes. Devido ao facto das temperaturas do efluente alimentado ao tratamento biológico da Mundotêxtil oscilarem entre 35 ºC e 43ºC efectuou-se um estudo às necessidades de água quente das tinturarias e por outro lado à capacidade de aquecimento dos efluentes disponíveis. Actualmente a racionalização dos consumos de água é cada vez mais premente, por isso também é apresentado neste trabalho um estudo para a substituição das máquinas convencionais das tinturarias com uma relação de banho 1:10 por máquinas de banho curto (1:6,5). Verifica-se a redução de consumos de 40% de água, 52% de energia eléctrica, 35% de produtos químicos, 51% das necessidades de vapor e por consequência um aumento da produtividade. A empresa pode reduzir os consumos de água em cerca de 280.000 m3/ano. A utilização do pré-tratamento com o coagulante permitirá baixar a concentração da CQO e reduzir a cor à entrada do reactor tratamento biológico. Deste modo é possível manter um tratamento eficiente à saída do tratamento biológico nas situações de descarga de cores carregadas e carga orgânica elevada. Com este conjunto de soluções, quer sejam aplicadas na totalidade ou não, a empresa Mundotêxtil pode enfrentar o futuro com mais confiança podendo estar preparada para fazer face à escassez de água e custos cada vez maiores da energia. Por outro lado pode tratar os seus efluentes a custos menores. A substituição das máquinas de tingimento por máquinas com relação de banho mais baixa (banho curto) implica investimentos elevados mas estes investimentos são necessários não só por motivos ambientais mas também devido à grande competitividade dos mercados.

Novos artigos e sistemas no processamento do couro

A necessidade de diminuir os consumos de energia, não só por questões financeiras mas também por questões ambientais, faz com que sejam feitos esforços no sentido da implementação de energias renováveis bem como da melhoria e expansão das soluções técnicas já conhecidas. Uma das maiores fontes de energia renovável, senão mesmo a maior, é a energia solar que, no futuro, terá uma contribuição muito significativa, quer na satisfação dos consumos energéticos, quer na racionalização da sua utilização, isto é, na melhoria da eficiência do consumo. O presente trabalho focou-se na procura de um sistema solar térmico para o pré-aquecimento da água quente a ser utilizada numa fábrica de curtumes, a empresa Curtumes Aveneda, Lda. Em simultâneo, desenvolveram-se e optimizaram-se processos de produtos específicos que o mercado exige actualmente, visando uma economia de recursos (matérias-primas, água e energia), objectivando sempre a sua viabilidade económica. No que respeita à procura do sistema solar térmico, inicialmente foram realizados levantamentos relativos ao consumo de água, quente e fria, na respectiva empresa. Esta avaliação focou-se em todos os sectores consumidores intensivos de água, tais como a ribeira, curtume e a tinturaria, excluindo o sector de acabamento uma vez que o consumo aqui é insignificante relativamente aos sectores citados anteriormente. Com base no levantamento efectuado foi dimensionado um sistema solar térmico para o pré aquecimento da água quente que conduz a uma economia anual de 107.808,3 kWh de energia térmica, representativa de 29% do consumo anual de energia térmica de aquecimento de água. Foi efectuada análise económica deste investimento que mostrou um índice de rentabilidade superior à unidade e um tempo de retorno do investimento de 9 anos. Desenvolveu-se com sucesso um produto de couro a partir de wet-blue, designado por crispado, produto normalmente produzido a partir da pele em tripa e muito difícil de obter a partir de wet-blue. Este produto caracteriza-se pela sua forma granular irregular e firme da pele. O processo desenvolvido foi ainda optimizado no sentido da redução do consumo de água e de energia. Tendo em conta a necessidade da empresa também se tentou melhorar as características do couro wet-white, muito solicitado actualmente, com resultados positivos no que respeita à temperatura de contracção do couro e às propriedades físico-mecânicas mas sem se atingir o principal objectivo que seria tornar a cor mais clara e mais pura. Foram desta forma dados contributos importantes para a empresa que, assim, dimensionou um sistema mais económico para o aquecimento de água que vai adoptar e ficou com um processo disponível para produzir um produto até então não conseguido.

Desempenho energético no âmbito do aquecimento solar térmico para as condições de utilização recomendadas pelo RSECE/RCCTE

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Sistema de climatização para um edifício da Rede de Energia Nacional

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Eficiência energética em edifícios residenciais da cidade do Porto

O consumo de energia a nível mundial tem atingido valores históricos, devido ao crescimento da população mundial e ao aumento do consumo per capita. Nesta medida é extremamente importante existirem alternativas para que a redução do consumo de energia de todos os países seja uma realidade, evitando também as consequências ambientais, em particular as alterações climáticas, resultantes da utilização intensiva de combustíveis fósseis. Portugal, tal como outros países da União Europeia, tem que cumprir metas, pelo que é urgente encontrarem-se soluções de forma a diminuir o consumo de energia sem interferir com o nosso dia-a-dia. A cidade do Porto, tal como qualquer cidade, precisa de imensa energia desde os transportes até à indústria, passando pelos edifícios. Os edifícios, residenciais e de serviços, são responsáveis por mais de 50% de energia primária consumida no concelho do Porto, sendo que aos edifícios residenciais corresponde um consumo de 1.473 GWh/ano de energia primária, o que é um valor elevado. Numa primeira parte deste trabalho foi efetuado um levantamento de informação caracterizando a cidade do Porto relativamente ao seu edificado e consumos energéticos. Numa segunda parte propuseram-se medidas para reduzir o consumo para cada tipo de utilização de energia, nomeadamente preparação de refeições, AQS (água quente sanitária), aquecimento ambiente, frio (frigorífico, arcas, etc.), outros e iluminação. Para cada um destes tipos de utilização estudou-se, sempre que possível, a evolução do longo do tempo (2004 a 2012) e possíveis cenários de evolução para o futuro. Para além disso, também se estudou a evolução do mix de produção de energia elétrica de 2004 até 2012 e previsões da evolução do mix para o futuro. Nesta análise foi tido em conta o aspeto ambiental contabilizando-se, sempre que possível, as emissões de poluentes resultantes do consumo de energia. Por fim, efetuou-se uma avaliação técnica, ambiental e económica das medidas propostas. Pode dizer-se que a maioria das medidas propostas a serem implementadas conduziria a uma redução do consumo de energia e consequentemente a uma diminuição das emissões de poluentes, em particular dos gases com efeito de estufa (CO2). Em termos técnicos a maioria das medidas pode ser aplicada embora algumas delas envolvam custos de investimento significativos. Dada a conjuntura atual, seria importante obter o financiamento necessário para a implementação das medidas propostas e a divulgação de medidas já existentes, tais como os programas para AQS e janelas eficientes.

Estudo técnico-económico para otimização do projeto e implementação de uma bomba de calor "heat machine"

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica