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
Solar assisted ground source heat pump system - modelling and simulation
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Applied Thermodynamics and Refrigeration.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The influence of control strategies and storage tank sizes on the system performance of a solar thermal assisted ground source heat pump(SAGSHP) installation has been investigated. The system investigated is in the design stage and will be implemented in the project Slottsholmen in Västervik, Sweden during 2015. Using the simulation software TRNSYS the suggested system has been modelled in its entirety and the response of the system for different control strategies and storage tank size configurations have been investigated.The system is designed with a dual tank configuration where solar heat can either be used for direct domestic hot water(DHW) production(in a high grade tank) or utilized as additional source for the heat pumps(in a low grade tank) with the purpose of increasing evaporation temperatures of the heat pumps.

Four different control strategies have been investigated. Two strategies where either tank is prioritized, one where the two tanks are run in series and heat can be delivered at two temperature levels simultaneously and one strategy where the low grade storage tank is by-passed and heat is only utilized directly for DHW production. For each control strategy a series of different tank size configurations have been tested.

Results show that the influence of control strategies dominate the effect of different storage tank size configurations. Solar fraction for the system varies between 0.10 and 0.13 between control strategies while variations between storage tank sizes are close to negligible. The electricity use of the SAGHSP system has been compared to a reference system where the solar collectors are switched off. The results show that fractional energy savings of the SAGSHP system ranges from 0.066 to 0.099 between control strategies.

Interestingly the fractional energy savings increases for cases with lower solar fraction. For control strategies which prioritize DHW production the temperature level in the solar collector loop increased thus leading to lower solar collector efficiency and less collected heat. However, solar heat used directly for DHW production leads to a higher electricity savings than using the heat as source for the heat pumps which explains the decoupling of fractional energy savings from solar fraction.

An attempt to quantify the value of the harvested solar collected heat is done by introducing a performance figure named ''Solar Savings Efficiency'' which is the ratio of the electricity savings compared to the reference system to the collected solar heat. The Solar Savings Efficiency ranges from 0.23 to 0.46 with the higher value registered for strategies which prioritize DHW production.

Abstract [sv]

Inverkan av strategier för styrning och ackumuleringsvolymer på systemprestandan hos en solkollektorassisterad bergvärmeinstallation har undersökts. Det undersökta systemet är i projekteringsstadiet och kommer att byggas i projektet Slottsholmen i Västervik under 2015. Genom att använda simuleringsmjukvaran TRNSYS har systemet modellerats i sin helhet och systemets respons på olika styrstrategier och konfiguration av ackumulatortankar har undersökts. Systemet är designat med två ackumuleringstankar för solkollektorkretsen där solvärme antingen kan användas för direkt beredning av varmvatten(en varm tank) eller som värmekälla för systemets värmepumpar(en kall tank) med syftet att då höja värmepumparnas förångningstemperatur.

Fyra olika styrstrategier har undersökts. Två strategier där antingen den varma eller den kalla tanken är prioriterad, en strategi där båda tankarna är i serie och värme kan lämnas vid båda temperaturnivåer samtidigt samt en fjärde strategi där den kalla tanken alltid förbigås och solvärmen endast används för direkt beredning av varmvatten. För varje styrstrategi har en rad olika konfigurationer på ackumuleringstankarna testats.

Resultatet visar att inverkan av styrstrategier dominerar över den effekt som olika ackumuleringsvolymer har. Andelen av systemets värmelast som betjänas av solvärme varierar mellan 0.10 och 0.13 mellan olika styrstrategier medan variation mellan olika ackumuleringsvolymer är nära försumbar. Elanvändningen i systemet har jämförts mot ett referenssystem där solkollektorerna är avstängda. Resultaten visar att besparingen i elektricitet relativt referenssystemet varierar mellan 6.6 % och 9.9 % mellan olika styrstrategier.

Intressant är att elbesparingen är högre för fall med lägre andel solvärme. För styrstrategier som prioriterar varmvattenberedning ökar temperaturnivån i solkollektorkretsen vilket leder till lägre verkningsgrad för solkollektorerna och därmed lägre andel solvärme som förs in i systemet. Dock visas att solvärme som används direkt för varmvattenberedning leder till högre elbesparing än solvärme som används som källa för värmepumparna vilket förklarar den lägre elanvändningen vid lägre andel solvärme.

Ett försök att kvantifiera värdet av den skördade solvärmen har utförts genom att introducera ett nyckeltal kallat ''Solbesparingsverkningsgrad (Solar Savings Efficiency)''. Nyckeltalet är definierat som kvoten av elbesparingen för en viss strategi/konfiguration jämfört med referenssystemet och total mängd solenergi som skördats. Solbesparingsverkningsgraden varierar mellan 0.23 och 0.46 med det högre värdet för strategier som prioriterar direkt varmvattenberedning.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Keyword [en]
Solar collectors, Heat pump, TRNSYS, modelling
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-173508OAI: oai:DiVA.org:kth-173508DiVA: diva2:853984
Subject / course
Energy Technology
Educational program
Master of Science - Sustainable Energy Engineering
Presentation
2015-06-15, Department of Energy Technology, The Bäckström Room, Brinellvägen 68, Stockholm, 10:25 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-10-15 Created: 2015-09-14 Last updated: 2015-10-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2137 kB)208 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2137 kBChecksum SHA-512
cca94f4e3258a407bed8b7bc2d864d47a016f538b3ad182d5bfb01acf5dacaf01718bf9164355c51af21f0aa683a6aeecc45c1fd263fa1d003e26f4578d0a1b3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Applied Thermodynamics and Refrigeration
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 208 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: 539 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