Qualitative control of the geothermal heating system for reducing electrical energy costs of a building

Abstract

International agreements and European Union directives on reducing greenhouse gas emissions and improving energy efficiency in Finland will among other things increase production and use of renewable energy in buildings. This trend is already evident in the new 2012 building regulations, which favour the use of renewable energy sources in buildings. Many renewable energy sources need electricity to function. As a result, use of electricity in buildings may even increase and it is also necessary to focus on costs caused by use of electricity.

This thesis developed qualitative control logic for controlling geothermal systems electric power to reduce the costs of heating. The method is based on the market price of electricity and weather forecasts. Work made use of TRNSYS simulation environment, and geothermal system which already had been developed in the same environment. The control logic operations and generated cost savings were examined in buildings made under building regulations from 2010, 2003 and 1985. In the simulations the size of storage tank varied from 500 to I 500 litters. Hourly electricity price data was based on Nord Pool Spot power exchange prices for Finland. For weather forecast data TRNSYS software used its weather files of Finland. In addition, the buildings were simulated according to Finnish indoor air classification 2008 classes S2 and S3 on the basis of the internal temperatures. The control logic function and the code were documented for potential further investigation.

The control logic reached a peak of about 7.5 percent per year saving in geothermal electricity costs for the 2010 building, 7.2 per cent for the 2003 building and 4.8 per cent for the 1985 building. The control logic created by the study can be used as a basis for creating a control system, which takes into account a number of renewable energy sources.

Kansainväliset sopimukset ja Euroopan Unionin direktiivit kasvihuonepäästöjen vähentämiseksi ja energiatehokkuuden parantamiseksi lisäävät Suomessa mm. rakennusten omaa uusiutuvan energian tuotantoa ja käyttöä. Tämä kehitys on nähtävissä jo vuoden 2012 rakentamismääräyksistä, jotka suosivat uusiutuvien energianlähteiden käyttöä rakennuksissa. Monet uusiutuvan energian lähteet tarvitsevat toimiakseen sähköä. Tämän vuoksi rakennuksen sähköenergian käyttö saattaa jopa lisääntyä ja siksi on tarpeen kiinnittää huomiota myös sähkön käytön aiheuttamiin kustannuksiin.

Tässä diplomityössä kehitettiin kvalitatiivinen ohjauslogiikka, jolla maalämpöjärjestelmän sähkötehoa ohjaamalla voidaan pienentää lämmityksen sähkökustannuksia. Menetelmä perustuu sähkön pörssihinta- ja sääennustetietojen hyödyntämiseen. Työssä käytettiin hyväksi TRNSYS-simulointiympäristöä ja jo aiemmin samaan ympäristöön kehitettyä maalämpöjärjestelmää. Ohjauslogiikan toimintaa ja syntyneitä kustannussäästöjä tutkittiin vuosien 2010, 2003 ja 1985 rakentamismääräysten mukaisille rakennuksille. Simuloinneissa varaajan koko vaihteli 500 ja 1 500 litran välillä. Sähkön tuntikohtaiset hintatiedot perustuivat Nord Pool Spot sähköpörssin Suomen tuntihintoihin. Sääennustetietoina käytettiin TRNSYS-ohjelmiston Suomen säätiedostoja. Lisäksi simuloinnissa sovellettiin Sisäilmastoluokitus 2008 hyvän ja tyydyttävän sisäilmaston lämpötila-arvoja. Ohjauslogiikan toiminta ja koodi dokumentoitiin mahdollisia jatkotutkimuksia varten.

Ohjauslogiikan avulla saavutettiin suurimmillaan noin 7,5 prosentin vuosisäästö maalämpöjärjestelmän sähkökustannuksissa vuoden 2010 rakennuksella, 7,2 prosenttia vuoden 2003 rakennuksella ja 4,8 prosenttia vuoden 1985 rakennuksella. Tutkimuksessa luotua ohjauslogiikkaa on mahdollista käyttää pohjana ohjausjärjestelmän luomiseen, joka ottaa huomioon useita uusiutuvan energian lähteitä.