Hybrid energy system optimization for buildings
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2022-11-28
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
56 + app. 66
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 176/2022
Abstract
The European Commission has announced that buildings as end-users of energy in the European Union (EU) are responsible for 40% of energy use and 36% of greenhouse gas emissions. Improving energy efficiency can be the main key to reducing energy use, leading to reduced greenhouse gas emissions, and decreasing energy costs. The nearly zero-energy building (nZEB) requirements for EU countries set cost-optimal minimum energy performance requirements for new buildings, existing buildings undergoing major renovation, and for replacing or retrofitting building elements like heating and cooling systems, roofs, and walls. One approach to improving energy efficiency and meeting nZEB requirements lies in optimal planning and operation of building hybrid energy systems. Depending on local conditions, such systems include locally produced renewable energy, such as solar power, solar heat, wind power, ground source heat, and biofuels. This thesis aims to develop methods for optimal planning and operation of renewable-based hybrid energy systems for different kinds of buildings: office, residential, and mixed-use. The energy systems include electric power from the grid, district heating, district cooling, heat pumps, photovoltaics, and storages for heat, cooling, and power. In such hybrid energy systems, different energy forms and technologies interact in a complex manner. These interactions are resolved by optimization modelling. Linear and mixed integer linear programming is applied in this thesis.This thesis includes three studies. The first study developed a combined configuration, sizing (dimensioning), and operational model to minimize the energy costs for hybrid energy systems of buildings. The model was applied to a mixed-use building in Finland. Besides reducing energy costs, energy efficiency was improved, and nZEB requirements were satisfied with a clear margin. The second study extended the model for multiple power storages and operation under the future 15-minute power balance settlement. The model was applied to plan the refurbishment of an office building in Finland and a residential building in Estonia. The optimized configurations caused significant annual savings in energy costs for both buildings. Power storages were not cost-efficient in either building, even if it caused savings in operational costs. These savings were not significant enough to cover the investment. Photovoltaic power was cost-efficient only in the Helsinki building. The third study developed models and methodology to optimize buildings' hybrid energy systems while participating in the Finnish Frequency Containment Reserve (FCR-N) market. The model was applied to an office building in Finland. Results show that FCR-N trade is profitable, and power storages can be cost-efficient together with FCR-N trade.Euroopan komission mukaan rakennukset vastaavat 40% Euroopan Unionin (EU) energian loppukäytöstä ja 36% kasvihuonekaasupäästöistä. Energiatehokkuuden parantaminen voi olla tärkeä keino energian kulutuksen vähentämiseksi, johtaen alempiin kasvihuonekaasupäästöihin ja pienempiin energiakustannuksiin. Lähes nollaenergiarakennusten (nZEB) säädökset asettavat EU-maiden uudisrakennuksille ja korjausrakentamiselle kustannustehokkaat vähimmäistavoitteet koskien lämmitysjärjestelmiä ja rakennuksen vaipan ominaisuuksia. Eräs tapa täyttää nZEB-vaatimukset on rakennusten hybridienergiajärjestelmien optimaalinen suunnittelu ja operointi. Paikallisista olosuhteista riippuen, järjestelmiin sisältyy paikallista uusiutuvaa tuotantoa, kuten aurinkosähköä ja -lämpöä, tuulivoimaa, maalämpöä ja bio-polttoaineita. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää menetelmiä uusiutuvaan energiaan pohjautuvien hybridi-energiajärjestelmien optimaaliseen suunnitteluun ja operointiin eri tyyppisissä rakennuksissa: toimistot, asuintalot, yhdistelmärakennukset. Energiajärjestelmiin voi sisältyä verkkosähköä, kaukolämpöä, kaukojäähdytystä, lämpöpumppuja, aurinkosähköä sekä energiavarastoja lämmölle, jäähdytykselle ja sähkölle. Näissä hybridijärjestelmissä eri energiamuodot ja teknologiat vuorovaikuttavat mutkikkaalla tavalla. Vuorovaikutukset otetaan huomioon optimointimallinnuksen avulla, erityisesti lineaarisen ohjelmoinnin ja sekalukuoptimoinnin avulla.Tutkimukseen sisältyy kolme osatutkimusta. Ensimmäisessä kehitettiin yhdistetty konfigurointi-, mitoitus- ja operatiivinen malli, jolla minimoidaan rakennuksen energiajärjestelmän kustannukset. Mallia sovellettiin yhdistelmärakennuksen suunnitteluun Suomessa. Tuloksena paitsi minimoitiin energiakustannusket, myös parannettiin energiatehokkuutta ja alitettiin kirkkaasti nZEB-vaatimukset. Toisessa tutkimuksessa laajennettiin edellistä mallia käsittämään useampia sähkövarastoja ja toimimaan sähkökaupan tulevan 'varttitaseen' kanssa. Mallia sovellettiin suunnittelemaan kahden rakennuksen lämmitysjärjestelmien uudistaminen: toimistotalo Suomessa ja asuintalo Virossa. Optimoidut konfiguraatiot tuottivat merkittäviä vuosittaisia säästöjä. Sähkövarastot eivät olleet kannattavia kummassakaan rakennuksessa. Kolmannessa tutkimuksessa kehitettiin malli ja metodologia optimoimaan rakennuksen hybridienergiajärjestelmä osallistumaan Suomen kantaverkkoyhtiön taajuuden vakautusreservimarkkinoilla (FCR-N). Mallia sovellettiin toimistorakennukseen. Tulosten mukaan osallistuminen FCR-N-markkinoille on kustannustehokasta ja FCR-N -kauppa voi tehdä myös sähkövarastoista kannattavia.Description
Supervising professor
Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandKeywords
energy efficiency, energy storage, hybrid energy system, optimization model, renewable energy, energiatehokkuus, energiavarasto, hybridienergiajärjestelmä, optimointimalli, uusiutuva energia
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Rikkas, Rebecka; Lahdelma, Risto. 2021. Energy supply and storage optimization for mixed-type buildings. Energy, volume 231, issue 120839.
DOI: 10.1016/j.energy.2021.120839 View at publisher
-
[Publication 2]: Savolainen, Rebecka; Lahdelma, Risto. 2021. Optimization of renewable energy for buildings with energy storages and 15-minute power balance.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202021666DOI: 10.1016/j.energy.2021.123046 View at publisher
- [Publication 3]: Savolainen, Rebecka; Einolander, Johannes; Lahdelma, Risto. Optimi-zation of hybrid energy system of building to operate as frequency con-tainment reserve (FCR). Under review in the journal Energy, 2022.