Demand response of heating and ventilation within educational office buildings

Abstract

Demand response on the building level aids stabilization of the consumption profile in the district heating and electricity grid. A stable consumption reduces peak demand and need for high cost peak power plants like heat-only boilers and gas turbines. The main benefit achieved is less CO2 emissions at the same time the producer and consumer benefit economically through cheaper production costs.

The main objective with this study was to simulate a detailed model of an educational office building floor to determine the monetary saving potential of demand response combined with dynamic hourly district heating and electricity prices. In addition, the difference in potential between centralized and decentralized control approaches was to be examined. The impact on indoor environmental comfort and heating flexibility of the building were areas of interest. The heating flexibility is a measure of the buildings ability to adapt the heating according to the dynamic price signals sent by the energy producer. Both CAV and VAV ventilation designs were included in the study. In addition, the monetary savings potential of contract-power limitation within district heating and its impact on thermal comfort were studied.

The impact of demand response was studied by control of space heating, adjustment of supply air temperature and airflow regulation. The research was conducted by dynamic energy simulations of an educational office building on the Aalto University campus area. The simulation software used was IDA Indoor Climate and Energy (version 4.7.1). Acceptable ranges of indoor environmental comfort parameters (temperature, PMV, CO2) were chosen and rule based control algorithms were developed and implemented into the simulation program.

A centralized control approach of space heating did not show any significant potential in heat cost savings (1.5%) and the heating flexibility remained low (2.9%). The decentralized approach reached heat cost savings of 5% – 6% and heating flexibility of up to 15% when controlling both space heating and supply air temperature in CAV ventilation cases. All demand response control alternatives managed to maintain a good thermal comfort for over 90% of the occupied time. Occupancy did not affect neither cost savings, heating flexibility nor thermal comfort in any of the different simulation set-ups.

The contract power of the building could be cut by 35% without affecting the thermal comfort at all. This brought an annual cost saving of 6.1 €/m2 – 26.9 €/m2 (27.1% – 35%) depending on district heat provider. A peak demand cut by 43% had only minor impact on the thermal comfort and provided even greater annual cost savings. The main conclusions from the study are that demand response within heating is only beneficial with a decentralized control and that peak demand limiting within district heating have a big cost saving potential.

Efterfrågeflexibilitet inom fastigheter bistår till att stabilisera konsumtionsprofilen i fjärrvärme- och elektricitetsnätet. En stabil konsumtion förminskar efterfrågan av spetskraft och behovet av högkostnadskraftverk som oljebrännare och gasturbiner. Fördelen är ett minskat koldioxidutsläpp samtidigt som producent och konsument gagnas ekonomiskt av billigare produktionskostnader.

Ett av de primära målen med denna studie var att simulera en detaljerad modellvåning i en pedagogisk kontorsbyggnad för att fastställa den monetära besparingspotentialen hos efterfrågeflexibilitet kombinerad med dynamisk timbaserad prissättning av fjärrvärme och elektricitet. Därtill jämfördes potentialen mellan en centraliserad och decentraliserad reglerstrategi. Efterfrågeflexibilitetens inverkan på inomhusklimatet samt byggnadens uppvärmningsflexibilitet utgjorde områden av intresse. Uppvärmningsflexibiliteten är ett mått på byggnadens förmåga att anpassa uppvärmningen enligt de dynamiska prissignalerna som energiproducenten anger. Både konstant samt behovsstyrd ventilation inkluderades i studien. Därtill undersöktes besparingspotentialen vid begränsning av fjärrvärmeanslutningens toppeffekt.

Efterfrågeflexibilitetens inverkan studerades genom styrning av rumsuppvärmning, tilluftstemperatur samt reglering av luftflöden. Studien genomfördes med dynamiska energisimuleringar av en pedagogisk kontorsbyggnad belägen på Aalto Universitetets campus område. Simuleringsprogrammet som användes var IDA Indoor Climate and Energy (version 4.7.1). Acceptabla intervall för inomhusklimatets komfortparametrar (temperatur, PMV, CO2) definierades och regelbaserade kontrollalgoritmer utvecklades samt implementerades i simuleringsprogrammet.

En centraliserad reglerstrategi inom uppvärmning gav inga signifikanta besparingar (1.5%) och uppvärmningsflexibiliteten förblev låg (2.9%). Den decentraliserade strategin gav kostnadsbesparingar uppemot 5% – 6% och en uppvärmningsflexibilitet på 15% vid styrning av både uppvärmning samt tilluftstemperatur. Alla regleralternativen rörande efterfrågeflexibilitet lyckades upprätthålla en god termisk komfort över 90% av den ockuperade tiden. Användningsgraden hade ingen inverkan på vare sig kostnadsbesparing, flexibilitet eller termisk komfort i något av fallen. Fjärrvärmeanslutningens toppeffekt kunde skäras ned med 35% utan att det inverkade på den termiska komforten. Detta gav en årlig kostnadsbesparing på 6.1 €/m2 – 26.9 €/m2 (27.1% – 35%) beroende på fjärrvärmeproducent. En nedskärning av toppeffekten med 43% hade endast smärre inverkan på den termiska komforten och tillförde ytterligare kostnadsbesparing. De primära slutsatserna från studien är att efterfrågeflexibilitet inom uppvärmning är endast fördelaktig med en decentraliserad reglerstrategi och att begränsning av toppeffekt inom fjärrvärme har en stor besparingspotential.