Techno-economic analysis of a modular heat pum system including a PCM storage in residental buildings

Abstract

Sowohl weltweit als auch in Europa macht der Energieverbrauch im Gebäudebestand einen beträchtlichen Teil des Endenergieverbrauchs aus. Ein großer Teil dieses Verbrauchs entfällt auf die Erzeugung von Raumwärme, Raumkühlung und Brauchwarmwasser und ist eine Quelle von Treibhausgasen, wenn das Gebäudeenergiesystem auf fossilen Brennstoffen basiert. Um sowohl die Ziele der Energieeffizienz als auch der Dekarbonisierung im Wohnbereich zu erreichen, ist daher die Einführung und/oder der Ausbau von erneuerbaren Energiequellen und Dekarbonisierung-Schlüsseltechnologien unumgänglich. Dementsprechend erweist sich die Einführung der Wärmepumpentechnologie als eine Schlüsseltechnologie für die Erzeugung von Heizung, Kühlung und Warmwasser.Daher wird in dieser Arbeit ein System von reversiblen modularen Wärmepumpen mit einem Latentwärmespeicher vorgeschlagen. Dieses System ist in der Lage, Brauchwarmwasser zu erzeugen, im Winter zu heizen und im Sommer zu kühlen. Aufgrund seiner Modularität weist dieses System außerdem die Besonderheit auf, dass es in der Lage ist, die Energieträgerflüssigkeit (in diesem Fall Wasser) automatisch in Reihe oder parallel zu schalten, je nach der gewünschten Vorlauftemperatur, der benötigten Durchflussmenge und dem akzeptablen Druckabfall im Hydraulikkreislauf. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Latentwärmespeichertechnologien den Verzicht auf Puffer- und Wasserspeicher, um eine Überdimensionierung der Wärmepumpen zu vermeiden, wodurch die Leistung des Systems erhöht, und der Stromverbrauch gesenkt wird.In dieser Studie wird ein volldynamisches thermohydraulisches Modell in Modelica/Dymola für ein Gebäude-Energiesystem entwickelt, das aus drei Hauptteilen besteht: einer Versorgungsseite (Wärmepumpenanlage), einem Gebäudeverteilungssystem (hydronischer Kreislauf für die Wasserverteilung mit einem Latentwärmespeicher für Warmwasser) und einer Nachfrageseite, die durch ein bewohntes Gebäude dargestellt wird. Die Integration dieser Teile in das Gebäudeverteilungssystem, seine Optimierung und die Untersuchung der Auswirkungen der Parallel- und Reihenschaltung der Wärmepumpenkondensatoren auf die Wärmeabgabe, die Innen- und Warmwassertemperaturen und die Gesamtleistung des Systems werden im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen. Dieses System wird anhand von jährlichen Simulationen in drei verschiedenen Klimazonen (Helsinki, Straßburg und Athen) untersucht, um seine Leistung und Effizienz unter verschiedenen Bedingungen zu ermitteln.Darüber hinaus wird die technische Machbarkeit des Systems untersucht und eine Umweltanalyse durchgeführt, die sich auf die CO2-Einsparungen einer solchen Anlage im Vergleich zu einem herkömmlichen Gebäudeenergiesystem mit einem Gaskessel, einem Warmwasserspeicher und einer elektrischen Klimaanlage konzentriert.

Both globally and in Europe, the energy consumption in the building stock represents a considerable share of the final energy consumption. Under this consumption, the production of space heating, space cooling and domestic hot water (DHW) constitute a large proportion, as well as being a source of greenhouse gases when the building energy system is fossil fuels based. Hence, to achieve both energy efficiency and decarbonization goals in the residential sector, the introduction and/or expansion of renewable energy sources and decarbonization-key enabling technologies are essential. Accordingly, implementation of heat pump technology arises as a key technology for the production of heating, cooling and domestic hot water.Consequently, this work proposes a system of reversible modular heat pumps equipped with a latent heat storage. This system has the capacity to produce domestic hot water, heating in the winter season and cooling during the summer. Due to its modularity, this system further has the particularity of being able to connect the energy carrier fluid (in this case water), in serial or in parallel automatically, depending on the desired supply temperature, the demand flow rate and the acceptable pressure drop in the hydronic circuit. In addition, the use of latent heat storage technologies, allows the elimination of buffer and water storage tanks in order to avoid oversizing the heat pumps, thus increasing the performance of the system and reducing the electrical energy consumption.This work develops a fully dynamic thermo-hydraulic model in Modelica/Dymola for a building energy system comprising of three major parts that are: a supply side (heat pumps system), building distribution system (hydronic circuit for water distribution equipped with a latent heat storage for DHW) and a demand side represented by a building with occupancy. The integration of these parts into the building distribution system, its optimization, and the investigation of the impact of connecting the heat pumps condenser side in parallel and series on the heat delivery, indoor and DHW temperatures and overall system performance will be the main focus of the present work. This system is going to be investigated based on annual simulations in three different climates (Helsinki, Strasbourg, and Athens), to determine their performance and efficiency under different conditions.Moreover, the work then studies the technical feasibility of the system and conducts an environmental analysis focusing on the CO2 savings of such an installation compared to a conventional building energy system whereby a gas-fired boiler, hot water tank and electrical air-conditioning system are present.