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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501726
Projekttitel
BIG-ICE: Bewertung von Solar-Eis-Systemen in Mehrfamilienhäusern und Gebäuden aus dem Dienstleistungssektor

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Englisch)

Solar ice, ice storage, solar thermal, heat pump

Kurzbeschreibung
(Englisch)

The Overall goal of the project is to assess and quantify the potentiels of solar-ice Systems for large buildings with the possibility to include cooling demands.

The specific objectives of the project will be:

1. Determinate the cost energetic performance of solar-ice Systems for the selected buildings

2. Quantify the potentiels of the System when cooling demands are included.

3. Analyse and quantify the effects of different hydraulics in the primary loop (solar collectors, ice storage and heat pump).

4. Provide clear recommendations on sizing strategies and hydraulic connections.

5. Develop a fast-algorithm based on a huge amount of simulations with varying key Parameters such as component sizes, hydraulics and building demands including the relevant climates found in Switzerland.

Schlussbericht
(Deutsch)
Mit Wärmepumpen lässt sich der Heiz- und Kühlbedarf von Gebäuden sehr effizient mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien decken. Es wird erwartet, dass die Verbreitung von Wärmepumpen im zukünftigen Schweizer Energiesystem stark ansteigen wird. Allerdings sind gängige erneuerbare Quellen, wie Erdwärme oder Luft z. B. auf Grund von Bewilligungseinschränkungen, Lärmbelästigung oder Platzbedarf nicht überall möglich. Das macht alternative erneuerbare Energiequellen, wie Solarenergie, sehr attraktiv. Solar-Eis-Systeme nutzen Solarwärme als Quelle für die Wärmepumpe, wobei ein Eisspeicher den Versatz zwischen Verfügbarkeit der Solarwärme und Wärmebedarf puffert. Ein Solar-Eis-System ist eine Art Erdwärme-Wärmepumpensystem mit voller Regeneration des Erdreichs (gratis), in dem das Sondenfeld durch Solarkollektoren und einen Speicher ersetzt wird. Der Eisspeicher hat eine hohe Energiedichte, da er die latente Wärme des Wassers nutzt. Der Mehrfamilienhaussektor hat das grösste Potential für Solar-Eis-Systeme in der Schweiz, dort werden Solar-Eis-Systeme immer beliebter. Jedoch gibt es bisher kein standardisiertes Design für solche Systeme und die Auslegung wird häufig über dynamische Systemsimulationen gemacht, um die Effekte der Wechselwirkung zwischen Kollektorfeldgrösse, Eisspeichervolumen, Wetterdaten, Heizwärmebedarf und möglichen weiteren Wärmequellen zu berücksichtigen. Die Haupteinflussfaktoren auf die Systemeffizienz zu verstehen und die Entwicklung eines einfachen Machbarkeits-Tools wurde die Verbreitung von Solar-Eis-Systemen fördern. Ein solches Tool sollte es Planern ermöglichen Solar-Eis-Systeme mit wenigen Eingabedaten (z.B. jährlicher Wärmebedarf und solare Einstrahlung) in einer frühen Planungsphase schnell und einfach bewerten zu können. Im Rahmen dieses Projektes wurde das Potential von Solar-Eis Systemen für Mehrfamilienhäuser untersucht. Uber eine grosse Parameterstudie mit dynamischen Systemsimulationen wurden die Effekte von unterschiedlichen Wetterdaten, hydraulischen Einbindungen auf der Primärseite (Solar, Eisspeicher und Wärmepumpe), Heizwärmebedarfsprofil und Dimensionen der Schlüsselkomponenten detailliert untersucht. Zusätzlich wurde das Kühlpotential berücksichtigt. In einem letzten Schritt wurde ein schneller Algorithmus entwickelt, der auf maschinellem Lernen basiert und die Systemeffizienz von Solar-Eis Systemen mit wenigen Eingabedaten vorhersagen kann. Ziel war es ein Tool zu entwickeln, dessen Anwendbarkeit zwischen einer Faustformel (die es bisher nicht gibt) und einem Planungstool liegt. Ein solches vereinfachtes Tool wird kein Planungsinstrument ersetzen das für die Realisierung nach wie vor verwendet werden muss, aber es wird ermöglichen in der Entscheidungsphase Solar-Eis Systeme einfach, schnell und ohne Systemsimulationen zu berücksichtigen. Eine Simulationsstudie mit der Simulationssoftware TRNSYS mit 3600 Simulationen wurde durchgeführt, um die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Effizienz von Solar-Eis-Systemen zu analysieren und um eine solide Datenbasis für die Entwicklung des schnellen Algorithmus zu erhalten. Die Simulationsumgebung basiert auf gut validierten Modellen, sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene. Verschiedene Ansätze des maschinellen Lernens wurden berücksichtigt, um das Machbarkeitstool zu entwickeln. Eine Analyse des Einflusses verschiedener hydraulischer Einbindungen für Solar-Eis-Systeme umfasst Fälle mit und ohne direkte Nutzung von Solarwärme im Verdampfer der Wärmepumpe und in den warmen Speichern. Diese Kombinationen fuhren zu vier Fällen, die über Simulationen verglichen wurden. Die Möglichkeit Solarwärme direkt in der Wärmepumpe zu nutzen, ohne über den Eisspeicher zu gehen und direkt die warmen Speicher zu erwärmen bringt signifikante energetische Vorteile. Solar-Eis-Systeme haben Potential für Freecooling, wobei lediglich das gezielte Abschmelzen des Eisspeichers im Frühjahr gestoppt wird, um Kälte für die Raumkühlung mit in den Sommer zu nehmen. Diese passive Freecooling-Option verursacht in gut dimensionierten Solar-Eis-Systemen in Gebieten mit geringem Kühlbedarf, wie z.B. Genf, keinen Anstieg des Strombedarfs. In Gebieten mit höherem Kühlbedarf, wie Locarno, kann zusätzliche Kühlkapazität geschaffen werden, indem Warmwasser über die Wärmepumpe bereitgestellt wird. Dabei sinkt die Systemeffizienz nicht, wenn Heizen und Kuhlen berücksichtigt werden. Um den Marktanteil von Solar-Eis-Systemen zu steigern ist ein einfaches Tool für Machbarkeitsstudien wichtig, um Solar-Eis Systeme in der Entscheidungsphase ohne grossen Aufwand berücksichtigen zu können. Ausgehend von den hier vorgestellten Ergebnissen ist die Entwicklung eines solchen Tools für eine schnelle Dimensionierung von Solar-Eis-Systemen denkbar. Es konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung von jährlichen Daten über das Wetter und den Heizwärmebedarf des Gebäudes eine Vorhersage der Effizienz mit einer Genauigkeit von ±10 % (für 90 % der Daten) erreicht werden kann. Wird zusätzlich der Heizwärmebedarf und die solare Einstrahlung in den Wintermonaten als Eingabeparameter berücksichtigt, kann die Genauigkeit auf ±5 % gesteigert werden. Die wichtigsten Resultate sind im Abschnitt Main findings zusammengefasst.
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Schlussbericht
(Englisch)
Heat pump is a very efficient technology to cover heating and cooling demands on the building sector with high share of renewables. It is foreseen that the deployment of heat pumps will increase significantly in the future Swiss energy system. However, heat pumps need a heat source and the use of traditional sources such as air or ground are not possible everywhere due to regulations, noise, space or social barriers to cite some. Thus, alternative renewable heat sources such as solar are very attractive. Solar-ice systems use solar energy as a source for the heat pump with an ice storage to cover the mismatch between solar availability and heat pump needs. A solar-ice system is kind of a ground source heat pump fully regenerated (for free) where the borehole field is substituted by solar collectors and a high energy density storage exploiting the latent heat of water. The main potential for solar-ice systems is on the multi-family building market where those systems are becoming very popular in Switzerland. However, no standard design exists for those cases and dynamic system simulations are often used to consider the effects of many aspects such as collector area, ice storage volume, weather data, building demands and other possible heat sources that are coupled to each other. Understanding the main factors influencing the efficiency of such systems and developing a simple feasibility tool for planners would foster the distribution of solar-ice systems. Such a tool should enable planners to assess solar-ice systems on early stages of the planning phase with just little available data such as, e.g., yearly heat demands and solar irradiation. Within the project we aimed to explore the potential of solar-ice systems for multifamily buildings. By means of dynamic system simulations with a large parameter variation analysis, the effects of different weather data, hydraulics on the primary (solar, ice and heat pump) loop, building demand profiles and sizes of key components such as collector field and ice storage, were analyzed in detail. Additionally, the cooling potential was addressed as well. In a last step, a fast algorithm that can predict the energetic performance of a solar ice system with little input data was developed based on a machine learning approach. The aim was to develop a tool between a rule-of-thumb approach, which does not exist at the moment, and a planning tool. Such a simplified tool would not substitute a planning tool that will always be used during a real planning phase, but be employed until a decision about the realization of a solar-ice system is made and thus avoid the need for simulations at early stages. A simulation study using the dynamic system simulation software TRNSYS with 3600 runs has been performed to analyze different factors influencing the efficiency of solar-ice systems and to provide a data basis for the development of the fast algorithm tool. The simulation framework is based on very extensively validated models both at component as well as at system level giving confidence to the results obtained. Different machine learning algorithms were employed to develop a fast prediction tool. An analysis of the influence of the possible hydraulic schemes for solar-ice systems include the cases with and without the use of direct solar heat in the heat pump evaporator as well as in the warm storage. These combinations lead to four cases that were compared numerically. The possibility to use solar heat in the heat pump by-passing the ice storage and directly in the warm storage has significant advantages from an energetic point of view. Solar-ice systems do have the potential for free cooling by simply stopping the melting of the ice storage in spring in order to have a cold reservoir for space cooling in summer. This passive free cooling option is possible without any increase of electrical demand in a well designed solar-ice system for locations with low cooling demand like Geneva. For locations with higher cooling demand like Locarno additional cooling capacity can be provided by using the heat pump for domestic hot water with no significant decrease in the system efficiency if both, heating and cooling, are considered. For increasing the market share of solar-ice systems an easy to use feasibility tool is necessary in order to assess solar-ice systems as possible solutions during early stages of the decision making process. From the results presented in this study, developing such a tool for a fast dimensioning of solar-ice systems is conceivable. It was shown that only using yearly data for climatic conditions and the heating demand of the building a prediction accuracy of ±10 % (for 90 % of the data) can be reached. Adding the winter share of the heating demand and irradiation as additional (optional) parameters this error can be further reduced to ±5 %. The most important results of this report are summarized in the following section Main findings.
Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Französisch)
Les pompes à chaleur présentent une technologie très éfficace en vue de couvrir les besoins en chaleur et en rafraîchissement du secteur des bâtiments tout en faisant la part belle aux renouvelables. Au sein du futur système énergétique Suisse, une augmentation significative du déploiement des pompes à chaleur est prévue. Cependant, en raison des contraintes législatives, de bruit, d’éspace ou sociales pour n’en citer que quelques-unes, l’utilisation de sources de chaleur traditionnelles telles que l’air ou le sol ne sont pas possible partout. Les pompes à chaleur requérant une telle source de chaleur, les sources de chaleur alternatives telles que le solaire sont par conséquent très attractives. Afin de couvrir le déphasage entre la disponibilité en énergie solaire et les besoins de la pompe à chaleur, les systèmes solaire-glace utilisent l’énergie solaire comme source pour la pompe à chaleur. Un système solaire-glace est similaire à une pompe à chaleur géothermique complètement régénérée (sans dépenses supplémentaires) pour lequel le champ de forage est remplacé par des capteurs solaires ainsi qu’un stockage à haute densité énergétique utilisant la chaleur latente de l’eau. Le marché des bâtiments plurifamiliaux constitue le principal potentiel pour les systèmes solaire-eau oú ils deviennent très populaires en Suisse. Cependant, aucun dimensionnement standard n’existe pour ce type d’application et des simulations dynamiques du système sont souvent utilisées pour tenir compte des effets de différents aspects tels que la surface des capteurs, le volume du stockage de glace, les données météorologiques, les besoins en chaleur du bâtiment ainsi que les autres sources de chaleur couplées au système. La compréhension des principaux facteurs influençant l’efficacité de tels systèmes ainsi que le d´eveloppement d’un outil de faisabilit´e simple pour les concepteurs pourraient favoriser la distribution de syst`emes solaireglace. Un tel outil permettrait aux concepteurs d’évaluer un système solaire-glace au début de la conception, lorsque peu de données sont disponibles (besoin annuels en chaleur et ensoleillement par exemple). Au cours du projet, le potentiel des systèmes solaire-glace pour les bâtiments plurifamiliaux a été exploré. Les effets de différentes données météorologiques, éléments hydrauliques sur le circuit primaire (solaire, glace et pompe à chaleur), profils de besoins du bâtiment et taille des éléments clefs tels que le champ de capteur et le stockage de glace ont été analysés grâce à des simulations dynamiques du système en faisant varier les paramètres dans une large plage. De plus, le potentiel de rafraîchissement a également été considéré. Pour finir, basé sur une approche de machine learning, un algorithme rapide permettant de prédire les performances énergétiques d’un système solaire-glace a été développé, le but étant de développer un outil entre la règle empirique (qui n’existe pas pour le moment) et un outil de planification. Un tel outil simplifié ne doit pas être substitué `a un outil de planification qui sera toujours utilisé durant la phase effective de planification. Il doit permettre de faciliter la décision en ce qui concerne l’implémentation de systèmes solaire-glace et éviter d’avoir à effectuer des simulations durant les premières phases du projet. Afin d’analyser les différents facteurs influençant l’efficacité de systèmes solaire-glace et de fournir une base de donnée nécessaire au développement de l’outil basé sur un algorithme rapide, une étude numérique de 3600 essais a été effectuée avec le logiciel de simulation dynamique TRNSYS. Le cadre des simulations est basé sur des modèles largement validés aussi bien à un niveau composant qu’à un niveau système, d’oú une bonne fiabilité des résultats obtenus. Pour l’outil de prédiction rapide, plusieurs algorithmes de machine learning ont été utilisé. Pour l’analyse de l’influence des possibles schémas hydrauliques des systèmes glace-solaire, les cas ou la chaleur solaire est directement utilisée par l’évaporateur de la pompe à chaleur ainsi que par le stockage à haute température ont été considérés. Ces combinaisons ont mené à quatre cas qui ont été comparés numériquement. D’un point de vue énergétique, la possibilité de by-pass du stockage de glace afin d’utiliser directement la chaleur solaire dans la pompe à chaleur ou dans le stockage à haute température présente des avantages significatifs. En ce qui concerne le refroidissement naturel, les systèmes solaire-glace permettent d’avoir un stockage à basse température destiné au rafrâiichissement des locaux en été si l’on arrête simplement le processus de fonte du stockage de glace au printemps. Cette option de refroidissement naturel passif est possible sans augmentation de la consommation électrique pour un système solaire-glace bien conc¸u et une localisation à faible besoin de rafrâichissement telle que Genève. Pour les localisations ou le besoin de rafrâichissement est plus élevé tels que Locarno, une capacité de rafrâichissement additionnelle peut être obtenue en utilisant la pompe à chaleur pour la production d’eau chaude sanitaire. Ceci sans diminution significative de l’efficacité du système à partir du moment ou le chauffage et le rafrâichissement sont considérés simultanément. Afin d’augmenter la part de marché des systèmes solaire-glace, un outil facile d’utilisation est nécessaire afin 5/77d’évaluer le potentiel des systèmes solaire-glace durant les phases précoces du processus de prise de décision. Considérant les résultats présentés dans cette étude, le développement d’un tel outil pour le dimensionnement rapide de systèmes solaire-glace est imaginable. En effet, en ne considérant que les données annuelles pour les conditions climatiques et les besoins en chaleur du bâtiment, une justesse des prédiction de ±10 % (pour 90 % des données) peut être atteinte. Cette erreur peut être réduite à ±5 % si l’on ajoute en tant que paramètres additionnels (optionnels) la proportion de chaleur requise en hiver ainsi que l’ensoleillement. Les principaux résultats de ce rapport sont résumés dans la section Main findings.
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