Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Simulations of a pilot object (single family home with 185m2 heated surface area, built in 2009 respecting the SIA80/1 norm) with solar panels (40m2), a W/W heat pump (6.4kW) with a geothermal probe (150m) as well as two thermal storages containing water (1: nonstratified, 28m3, 2: stratified, 1.65m3) will help identify the weak spots of conventional, commonly used system controls.
In a first stage of this task, the building and its technical installations were examined. Additionally, a simulation of the annual heating energy consumption was established. Furthermore, the seasonal storage, the utility storage and the solar panels were simulated during several days with and without heating load and validated based on real measured data.
The point balance after the first year of operation (without optimisations) shows that the calculated potential is far from being reached. For the calculated annual heating demand of 10’800 kWh [3] and the DHW demand of 3’400kWh [4], 3’730kWh of electricity were consumed, corresponding to a SPF of 3.8. Generally, after the drying phase of its concrete structure, the heating consumption of the building diminishes, and a higher SPF (with optimisations SPF > 8) can be expected.
Simulations of the building are mainly realised by the use of CARNOT Blockset [1] and the design of experiments for the optimisation of the control-system with ModeFrontier [2].
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kurmann,Peter
Ursenbacher,Thierry
Tenconi,Alain
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Simulationen und Monitoring eines Pilotobjekts (EFH mit 272m2 EBF, gebaut nach SI-A380/1:2009) mit thermischen Solarkollektoren (40m2), einer W/W Wärmepumpe (6.2kW) mit Erdwärmesonde (150m) sowie zwei thermischen Speicher mit Wasser (Speicher A: ge-schichtet, 1.65m3, Speicher B: ungeschichtet, 28m3) sollen die Schwachstellen der konventi-onellen, heute üblichen Heizungssteuerungen verdeutlichen. Allgemein wird von Gebäude-technikern, Besitzern und auch von Wissenschaftler eine grosse Effizienzsteigerung von der Kombination zwischen Solarthermie + Wärmepumpen erwartet. Verschiedene bestehende Anlagen in Mitteleuropa [1] bestätigen jedoch, dass trotz sehr guten einzelnen Komponen-ten, die Interaktionen zwischen den Elementen das grösste Potential zur Besserung der Energiebilanz, aber auch die grösste Gefahr zur Verschlechterung der Anlage birgt. Auf-grund tiefgreifender Analysen an einer kombinierten Solar+WP Installation werden die wich-tigsten Punkte analysiert, die für eine gute Energie- und Kostenbilanz entscheidend sind.
Im Schlussbericht dieses Projekts (OPTIGEN) werden die Resultate des 2-Jährigen For-schungsprojektes zusammengefasst, welches vom Bundesamt für Energie und dem Service de Transport et Energie Fribourg unterstützt und an der Ingenieursschule für Technik und Architektur Freiburg ausgeführt wurde.
Nach einer kurzen Beschreibung des Untersuchungsobjektes wird aufgezeigt, wie die ther-mische Simulation der gesamten Anlage aufgebaut wurde, und wie letztere mit Messdaten validiert wurde. Mit dem validierten Simulationsmodell wurden mehrere Systemvariationen durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Steuerungstrategien auf die Energieeffizienz und die operativen Kosten darzulegen.
Die Simulationen (sowie die reelle Anlage) zeigen klar, dass mit der Kombination Solar+WP sehr gute WP JAZ (4.6-4.8) und auch Anlagen JAZ (bis 4.6) erreicht werden können. Zudem stellte sich heraus, dass die Ladestrategie des Saisonspeichers eine Schlüsselrolle spielt beim Stromverbrauch. Wird dieser immer vollständig geladen (max. 80°C), führen hohe thermische Verluste zu einem höheren Stromverbrauch als ohne Saisonspeicher. Eine aus-geklügeltere Steuerung ist also absolut notwendig, sobald mehrere thermische Speicher in einer Installation integriert sind.
Während die Einschalthysterese der Solaranlage auf die Systemeffizienz wenig Einfluss hat (1-2% weniger Kosten während Heizperiode, 6-9% ausserhalb der Heizperiode), kann mit einer Anpassung der Sperrzeiten der WP deutlich an Betriebskosten gespart werden (besse-re Auslastung der Niedrigtarif-Zeiten) für den gleichen Komfort: 10-20% Einsparung bei der Stromrechnung. Insgesamt konnten durch Verbesserungen bei der Systemsteuerung, ohne jegliche „Hardware“ Anpassung, 17% an Stromkosten, und 5.5% an Primärenergie einge-spart werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EIA-FR
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kurmann,Peter
Mesot,Thierry
Ursenbacher,Thierry
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Simulations of a pilot object (single family home with 272m2 heated surface area, built in 2009 respecting the SIA80/1 norm) with solar thermal panels (40m2), a W/W heat pump (6.2kW) with a geothermal borehole (150m) as well as two thermal storages containing water (A: stratified, 1.65 m3, B: non-stratified, 28m3) will help identify the weak spots of convention-al, commonly used system controls for domestic space heating and DHW production. The combination of HP with solar thermal panels is believed to guarantee a huge efficiency gain for the installation. However, several existing systems throughout Europe [1] have not met the high expectations and proven, that the interactions between good individual components provides high potential to improve, but also to worsen system performance.
In this final report, the main results of the two-year research project (OPTIGEN) at the Uni-versity of applied Sciences Fribourg, financed by the Swiss Federal Office of Energy and the Office of Transport and Energy of Fribourg are summarized and documented.
An Introduction on the physical properties of the installation and the analysed house is fol-lowed by explanations on modelling of the entire system in Matlab-Simulink. Details on vali-dation with monitoring results are given, various applied optimisation strategies are ex-plained, and their influence on system balance (electricity costs and energy consumption) compared.
The simulations (and the actual house) have proven that high HP SPF (4.6-4.8) and also system SPF (up to 4.6) can be achieved with the combination Solar+HP. The loading strate-gy of the seasonal storage plays a key role in the system efficiency. If the seasonal storage is permanently loaded to its maximum (80°C), high thermal losses lead to unnecessary high electricity consumptions. A system with a seasonal storage must therefore absolutely also contain an advanced control regulation to be more efficient than a standard system.
A less important factor for system efficiency is the solar on-off hysteresis, with only 1-5% efficiency gain possible. The HP operating time restriction however, has a major impact on operational costs (better use of low and high electricity rates), and permits 10-20% annual economies on the electricity bill. The combination of all improvements of the control system parameters revealed an annual saving of 17% in electricity costs and 5.5% in primary energy consumption, without any hardware manipulation!
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EIA-FR
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kurmann,Peter
Mesot,Thierry
Ursenbacher,Thierry
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