Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Energy Systems Simulation on an Urban District-Level
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The development of urban-scale energy systems modelling on a district-level is presently the target of many research organisations because of the growing interest in assessing the effect of energy efficiency throughout the full energy chain in urban district environments. This Master thesis includes an overview on energy use with aggregation at building- and a geographically restricted residential area level. The research was focused on three aspects to achieve sustainable development: selection of a modelling tool within energy engineering, energy systems modelling on a building-level and on an urban district-level, and an analysis of the magnitude of energy flows (heat and electricity) between different system components and also on an aggregated level on an hourly basis at predefined climate conditions.

To reach the objectives, an extensive screening of 129 modelling tools was conducted based on nine different parameters provided in table form. Moreover, a more in-depth literature study was conducted in text form where a total of 21 modelling tools were reviewed addressing a wide range of characteristic features within each tool. The chosen modelling tool was “SimulationX” for this work. Other tools considered were e.g. EnergyPlan, TRNSYS, and Homer. SimulationX was mainly chosen because of the expected high level of detail that could be achieved in the modelling process and the wide range of components available to design an energy system, both on a building-level and on an urban district-level. Furthermore, a design of the requested architecture of the energy system on an urban district-level has been established representing the full energy chain from natural resources to energy end-use services. By the use of the SimulationX software and the Green City library specifically used in this project, a total number of three concepts were created with the general idea to present the difference between individual energy solutions of households compared to integrated solutions of multiple households for a part of a district in the area of Uppsala to emphasise the possible synergistic effects. The first and second concept describe the integrated energy system within a building while the third concept simulated a restricted residential area consisting of 67 single-family houses, 197 terraced houses and 120 dwelling apartments.

Based on the results from the simulations the total annual energy demand for electricity and heat was estimated to be 4653 and 11 153 kWh, respectively for a single-family house. For a terraced house, the electricity and heat demand amount to 4000 and 7122 kWh, respectively. On an urban district-level, the model design indicates that the heat demand of 2604 MWh can be sufficiently met throughout the year with a TES integrated in the system, but the total annual electricity supply is 436 MWh lower than the demand. The main advantages with the chosen modelling tool are the predefined parameters and user profiles available as well as the high level of detail that can be achieved on a building-level. However, the tool currently lacks the ability to estimate CO2 emissions and calculate the investment costs required for the different energy system models. For future recommendations, an economic analysis can be conducted to calculate the investment costs required for different energy system designs. This will help future decision-making processes in evaluating the feasibility of an energy system and possibly what components that significantly might affect the total investment costs.

Abstract [sv]

Utvecklingen av energisystemmodellering på stadsdelsnivå är för närvarande målet för många forskningsorganisationer som ett resultat av det växande intresset att utvärdera energieffektiviteten i hela energikedjan i stadsdelsmiljöer. Det här examensarbetet innehåller en översikt kring energianvändningen med aggregering på byggnads- och geografiskt begränsad stadsdelsnivå. Arbetet omfattade tre aspekter för att uppnå en hållbar utveckling: urval av ett modelleringsverktyg inom energiteknik, energisystemmodellering på byggnadsnivå och stadsdelsnivå samt en analys av energiflödenas storlek (värme och elektricitet) mellan olika systemkomponenter och även på systemnivå på timbasis vid fördefinierade klimatförhållanden.

För att nå målen genomfördes en omfattande utvärdering av 129 modelleringsverktyg baserat på nio olika parametrar som tillhandahålls i tabellform. Dessutom genomfördes en mer djupgående litteraturstudie i textform där totalt 21 modelleringsverktyg utvärderades med beskrivningar av de karakteristiska egenskaper som återfinns inom varje verktyg. Det valda modelleringsverktyget var "SimulationX" för detta arbete. Andra verktyg som utvärderades var exempelvis EnergyPlan, TRNSYS och Homer. SimulationX valdes främst på grund av den förväntade detaljnivå som kunde uppnås i modelleringsprocessen och det stora utbudet av komponenter som finns tillgängliga för att skapa ett energisystem, både på byggnadsnivå och på stadsdelsnivå. Vidare har en utformning av den efterfrågade arkitekturen i energisystemet fastställts på stadsdelnivå som representerar hela energikedjan från naturresurser till slutanvändningstjänster.

Genom användningen av SimulationX-programmet och Green City-biblioteket som specifikt användes i detta projekt skapades totalt tre koncept med den generella metodiken att presentera skillnaden mellan individuella energilösningar på byggnadsnivå jämfört med integrerade lösningar av flera hushåll för en del av en stadsdel i Uppsala för att belysa potentiella synergieffekter. Det första och andra konceptet beskriver det integrerade energisystemet inom en byggnad medan det tredje konceptet simulerade ett begränsat bostadsområde bestående av 67 villor, 197 radhus och 120 lägenheter.

Baserat på resultaten från simuleringarna beräknades det totala årliga energibehovet för elektricitet och värme till 4653 respektive 11 153 kWh för en villa. För ett radhus uppgår eloch värmebehovet till 4000 respektive 7122 kWh. På stadsdelsnivå indikerar modellen att värmebehovet på 2604 MWh kan tillgodoses kontinuerligt under året med en ackumulatortank integrerad i systemet, men den totala årliga elförsörjningen är 436 MWh lägre än efterfrågan. De viktigaste fördelarna med det valda modelleringsverktyget är de fördefinierade parametrarna och användarprofilerna samt den höga detaljnivå som kan uppnås på byggnadsnivå. Däremot saknar verktyget för närvarande möjligheten att uppskatta koldioxidutsläpp och beräkna investeringskostnader för de olika energisystemmodellerna. För framtida rekommendationer kan en ekonomisk analys genomföras för att beräkna de investeringskostnader som krävs för olika energisystemlösningar. Detta kommer att hjälpa framtida beslutsprocesser vid utvärdering av ett energisystems genomförbarhet och eventuellt vilka komponenter som kan få betydlig påverkan för de totala investeringskostnaderna.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 230
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:549
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-264268OAI: oai:DiVA.org:kth-264268DiVA, id: diva2:1372787
External cooperation
Vattenfall AB
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-25 Created: 2019-11-25 Last updated: 2019-11-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(15308 kB)7 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 15308 kBChecksum SHA-512
e626cecdbecc8b45b511eeaeb5f046f59a4b851b52f11bafcc48fe92c48b2c6b7635f9aba9b0aaa404ca388367408567ddf12f4ccdce30c0d572114fb0a6e054
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 7 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 32 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf