TriSolHP – Couplage direct d’un champ de modules PVT avec un système PAC utilisant des réfrigérants naturels pour le chauffage des bâtiments d’habitation collectif et la production d’eau chaude sanitair

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502283

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Ziel des TriSolHP-Projekts besteht darin, die energetische, wirtschaftliche und ökologische Leistung eines modularen Heizsystems für bestehende Mehrfamilienhäuser zu entwickeln und zu bewerten, das ein PVT-Feld (seriell) mit einer R744-Wärmepumpe (HP) für die Warmwasserbereitung und einer R290-Wärmepumpe (HP) für die Raumheizung kombiniert. Durch den Einsatz von PVT-Kollektoren, die für die Maximierung des konvektiven Wärmeaustauschs mit der Umgebungsluft optimiert sind, kann die für das Solarfeld erforderliche Fläche begrenzt werden. Die Kombination von zwei Wärmepumpen mit natürlichem Kältemittel ermöglicht es, einen guten COP-Wert für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung über einen weiten Bereich von Wärmequellentemperaturen aufrechtzuerhalten. Ein jährlicher COP-Wert von 3,5 wird angestrebt. Das TriSolHP-Heizsystem stellt eine attraktive Alternative zu Luft-Wärmepumpen dar und könnte zur Dekarbonisierung bestehender Mehrfamilienhäuser beitragen. Darüber hinaus ermöglicht dieses Konzept eine maximale Dachnutzung zur Aufwertung der Solarressourcen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The TriSolHP project objective is to develop and assess the energetic, economic and environmental performances of a modular heating system for existing multifamily building combining a PVT field (serial)with R744 Heat Pump (HP) for DHW production and a R290 HP for space heating. The use of PVT collectors optimized to maximize the convective heat exchange with ambient air allows to limit the surface required for the solar field. The combination of two HPs using natural refrigerant makes possible to keep good COP for space heating and DHW production over a wide range of heat source temperature. A yearly COP of 3.5 is targeted. The TriSolHP heating system represent an attractive alternative to Air source HP and could contribute to decarbonization of existing multifamily building. Moreover, this concept enables to maximize roof utilization for solar resources valorization.

Kurzbeschreibung (Französisch)

L’objectif du projet TrisSolHP est de développer et d’évaluer les performances énergétiques, financières et environnementales, d’un système modulable de production de chaleur pour les bâtiments collectifs existant combinant en série une installation PVT avec une PAC R744 pour la production d’ECS et une PAC R290 pour le chauffage. L’utilisation de collecteur PVT spécialement optimisé pour maximiser l’échange de chaleur convectif avec l’air, permet de limiter la surface nécessaire. La combinaison de PAC utilisant des réfrigérants naturels permet de conserver de bons COP pour la production d’ECS et pour le chauffage sur une large gamme de température de source froide. Un COP annuel de 3.5 est visé. Le système de chauffage TriSolHP représente une alternative attrayante au PAC Air/Eau et pourrait contribuer à la décabornisation de la production de chaleur des bâtiments collectifs existants. Ce concept permet aussi de maximiser l’utilisation des toitures pour valoriser la ressource solaire.

Schlussbericht (Deutsch)

Das TriSolHP-Projekt entwickelt ein neues Heizsystem für Mehrfamilienhäuser, das ein PVT (photovoltaisch-thermisches) Kollektorfeld mit Wärmepumpen (HP) unter Verwendung natürlicher Kältemittel kombiniert. Das System ist darauf ausgelegt, effizienter und umweltfreundlicher zu sein als herkömmliche Luftwärmepumpen (LW-WP). Das im Projekt verwendete PVT wurde optimiert, um als Wärmequelle für die WP verwendet werden zu können. Die erste Phase des Projekts konzentrierte sich auf die Messung der Leistung des PVT-WP-Kollektors in einer Klimakammer. Die Ergebnisse zeigten, dass der Kollektor Umgebungswärme effizient aufnehmen kann, selbst wenn er mit Eis bedeckt ist (siehe Abschnitt 2). Dann wurden numerische Modelle einer klassischen (subkritischen, mit R290-Kältemittel) und einer transkritischen (mit R744-Kältemittel) WP entwickelt (siehe Abschnitt 3). Die Modelle wurden mit experimentellen Daten validiert und zur Bewertung der Leistung des TriSolHP-Systems verwendet. In Abschnitt 4 werden zwei hydraulische Kreisläufe für das TriSolHP-System zusammen mit den Regulierungsprinzipien und Dimensionierungsregeln beschrieben. Der erste Kreislauf verwendet eine R290-WP sowohl für die Raumheizung (RH) als auch für die Produktion von Warmwasser (WW). Der zweite Kreislauf verwendet eine R744-WP für die WW-Produktion und eine R290-WP für die RH. Die Leistungen des TriSolHP-Systems für verschiedene Gebäudetypologien (definiert in Abschnitt 5) wurden in Abschnitt 6 simuliert. Die Ergebnisse zeigten, dass das System die Anforderungen an RH und WW von Mehrfamilienhäusern mit einem SPF, einschliesslich PV-Eigenverbrauch durch die WP, effektiv erfüllen kann, mit Werten zwischen 2,74 und 4,97. Das System übertrifft auch LW-WP-Systeme in Bezug auf Energieeffizienz und Emissionseinsparungen. Die finanzielle Machbarkeit des TriSolHP-Systems wurde in Abschnitt 7 bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass das System Wärmegestehungskosten (LCOH) zwischen 19 und 25 Rp./kWh hat. Dies ist geringfügig höher als der LCOH von LW-WP-Systemen, aber der Unterschied könnte durch steigende Stromkosten in der Zukunft ausgeglichen werden. Das Diffusionspotenzial und das Dekarbonisierungspotenzial des TriSolHP-Konzepts wurden in Abschnitt 8 für den Kanton Genf geschätzt. Die Ergebnisse zeigten, dass das System in 53% der Gebäude installiert werden könnte (entsprechend 30% der Energiebezugsfläche). Eine umfangreiche Verbreitung des TriSolHP-Systems könnte zu einer Verminderung der CO2eq-Emissionen um 26 und 51% des Gebäudebestands in Genf beitragen. Insgesamt hat das TriSolHP-Projekt gezeigt, dass das System eine vielversprechende Alternative zu LW-WP für Mehrfamilienhäuser ist. Das System ist effizienter und umweltfreundlicher als LW-WP-Systeme und kann in einer Vielzahl von Gebäuden installiert werden.

Schlussbericht (Englisch)

The TriSolHP project is developing a new heating system for multifamily buildings that combines a PVT (photovoltaic thermal) collector field with heat pumps (HP) using natural refrigerants. The system is designed to be more efficient and environmentally friendly than traditional air-source heat pumps (ASHP). The PVT used in the project has been optimized to be used as a heat source for HP. The first phase of the project focused on measuring the performance of the PVT HP collector in a climate chamber. The results showed that the collector can efficiently capture ambient heat, even when covered in ice (see Section 2). Then numerical models of a classical (sub-critical, with R290 refrigerant) and a transcritical (with R744 refrigerant) HP have been developed (see Section 3). The models were validated against experimental data and used to assess the performance of the TriSolHP system. In Section 4, two hydraulic circuits for the TriSolHP system are described together with the regulation principles and sizing rules. The first circuit uses a R290 HP for both space heating (SH) and domestic hot water (DHW) production. The second circuit uses a R744 HP for DHW production and a R290 HP for SH. The performances of the TriSolHP system for a variety of building typologies (defined in Section 5) have been simulated in Section 6. The results showed that the system can effectively meet the SH and DHW demand of multifamily buildings with SPF including PV autoconsumption by the HP ranging from 2.74 up to 4.97. The system also outperforms ASHP systems in terms of energy performance and emissions savings. The financial viability of the TriSolHP system were assessed in Section 7. The results showed that the system has a levelized cost of heat (LCOH) of between 19 and 25 ctsCHF/kWh. This is slightly higher than the LCOH of ASHP systems, but the difference could be offset by rising electricity costs in the future. The diffusion potential and the decarbonation potential of the TriSolHP concept were estimated in Section 8 for the Geneva canton. The results showed that the system could installed in 53% of the building (corresponding to 30% of the Energy Reference Area). A large diffusion of the TriSolHP system could contribute to a CO2eq emission reduction of between 26 and 51% of the Geneva building stock. Overall, the TriSolHP project has shown that the system is a promising alternative to ASHP for multifamily buildings. The system is more efficient and environmentally friendly than ASHP systems, and it can be installed in a wide variety of buildings.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 10'906 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le projet TriSolHP développe un nouveau système de chauffage pour les immeubles multifamiliaux qui associe un champ de collecteurs PVT (photovoltaïques thermiques) à des pompes à chaleur (HP) utilisant des réfrigérants naturels. Le système est conçu pour être plus efficace et respectueux de l'environnement que les pompes à chaleur traditionnelles à air (ASHP). Le PVT utilisé dans le projet a été optimisé pour être utilisé comme source de chaleur pour les pompes à chaleur. La première phase du projet s'est concentrée sur la mesure des performances du collecteur PVT HP dans une chambre climatique. Les résultats ont montré que le collecteur peut capturer efficacement la chaleur ambiante, même lorsqu'il est recouvert de glace (voir Section 2). Ensuite, des modèles numériques d'une pompe à chaleur classique (sub-critique, avec un réfrigérant R290) et d'une pompe à chaleur transcritique (avec un réfrigérant R744) ont été développés (voir Section 3). Les modèles ont été validés par rapport aux données expérimentales et utilisés pour évaluer les performances du système TriSolHP. Dans la Section 4, deux circuits hydrauliques pour le système TriSolHP sont décrits, ainsi que les principes de régulation et les règles de dimensionnement. Le premier circuit utilise une pompe à chaleur R290 pour le chauffage des locaux (CL) et la production d'eau chaude sanitaire (ECS). Le deuxième circuit utilise une pompe à chaleur R744 pour la production d'eau chaude sanitaire et une pompe à chaleur R290 pour le SH. Les performances du système TriSolHP pour diverses typologies de bâtiments (définies dans la Section 5) ont été simulées dans la Section 6. Les résultats ont montré que le système peut répondre efficacement à la demande de SH et DHW des immeubles multifamiliaux avec un SPF, y compris l'autoconsommation PV par la PAC, variant de 2,74 à 4,97. Le système surpasse également les systèmes ASHP en termes de performance énergétique et d'économies d'émissions. La viabilité financière du système TriSolHP a été évaluée dans la Section 7. Les résultats ont montré que le système a un coût nivelé de la chaleur (LCOH) compris entre 19 et 25 ctsCHF/kWh. Cela est légèrement supérieur au LCOH des systèmes ASHP, mais la différence pourrait être compensée par l'augmentation des coûts de l'électricité à l'avenir. Le potentiel de diffusion et le potentiel de décarbonation du concept TriSolHP ont été estimés dans la Section 8 pour le canton de Genève. Les résultats ont montré que le système pourrait être installé dans 53% des bâtiments (correspondant à 30% de la surface de référence énergétique). Une large diffusion du système TriSolHP pourrait contribuer à une réduction des émissions de CO2eq comprise entre 26 et 51% du stock immobilier de Genève. Dans l'ensemble, le projet TriSolHP a montré que le système est une alternative prometteuse aux ASHP pour les immeubles multifamiliaux. Le système est plus efficace et respectueux de l'environnement que les systèmes ASHP, et il peut être installé dans une grande variété de bâtiments.