Simulation model for a floor heating system applying ground and solar heat sources

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
LVI-tekniikka
Mcode
Ene-58
Degree programme
Language
fi
Pages
118 s. + liitt. 5
Series
Abstract
In the near future, the use of renewable energy in buildings will increase in Finland. The main causes for this trend are the international commitments to reduce greenhouse gas emissions. This can be seen among other things in the reformation of building regulations part D3 which took effect in July 2012. The new regulations obligate designers and builders for total energy estimating which favours the use of renewable energy in buildings. Simulation models for a ground and solar heat system were built in this study. The models were created with the TRNSYS simulation program and documented for further studies. The weather data of Helsinki-Vantaa airport was exploited in the simulations. Annual energy demand for the space heating was approximately 5800 kWh and for the domestic hot water 3360 kWh. The total energy demand was consequently 9160 kWh. The total heating power for the building was 7.2 kW. The heat was delivered to the space via floor heating. The main components of the ground heat system were a ground source heat pump, a vertical ground heat exchanger and a storage tank with a volume of 500 litres. The geothermal heat pump was a compressor operated water-to-water heat pump with an average heating power of 6.4 kW. Annual heat pump energy production was 3870 kWh which encompassed 76 % of the total heating energy production. The rest of the required heating energy was produced with an electric resistance. In the solar heat system the main components were solar collectors and a storage tank which was similar to the ground heat system. The collector group consisted of three solar collectors with a total gross area of approximately 7.6 m<sup>2</sup>. The collectors were south facing and tilted at an angle of 60 degrees. The maximum heating power was measured in February and July. They were 2.4 kW and 4.0 kW respectively. Annual solar energy production was 2349 kWh of which 1762 kWh could be utilized for heating. Hence solar energy encompassed 34 % of the total heating energy production. The rest of the required heating energy was produced with an electric resistance. In the ground heat system, the top of the storage tank was heated with an auxiliary electric resistance because of the low output temperature of the condenser. This reduced the heating energy produced by the heat pump. Relatively high operating temperatures reduced the efficiency of the solar heat system. Due to the pipes located outdoors a proportion of the thermal losses were responsible for the waste of approximately 15 % of the total heat produced. Simulation models can be utilized to study different control strategies which help to reduce the heating costs and improve the indoor climate conditions for example.

Lähivuosina uusiutuvan energian käyttö rakennuksissa tulee lisääntymään Suomessa. Syynä tähän kehitykseen ovat kansainväliset sitoumukset vähentää kasvihuonepäästöjä. Käytännössä tämä näkyy muun muassa rakentamismääräyskokoelman osan D3 uudistamisena. Heinäkuussa 2012 voimaan astuneet määräykset velvoittavat uusien rakennusten suunnittelijoita ja toteuttajia kokonaisenergiatarkasteluun, joka suosii uusiutuvan energian käyttöä rakennuksissa. Tutkimuksessa rakennettiin simulointimallit maa- ja aurinkolämpöjärjestelmille. Mallit luotiin TRNSYS-simulointiohjelmalla ja dokumentoitiin jatkotutkimusta varten. Simuloinneissa käytettiin Helsinki-Vantaan lentoaseman vuotuisia säätietoja. Simuloitavan tilan lämmitysenergiantarve oli vuodessa noin 5800 kWh ja vastaavasti lämpimän käyttöveden 3360 kWh, jolloin kokonaisenergiantarpeeksi muodostui 9160 kWh. Rakennuksen lämmitystehon tarpeeksi saatiin 7,2 kW. Lämmönjakotapana käytettiin lattialämmitystä. Maalämpöjärjestelmän pääkomponentit olivat maalämpöpumppu, lämpökaivo ja akkuvaraaja, jonka tilavuudeksi määritettiin 500 litraa. Lämpöpumppuna käytettiin kompressoritoimista vesivesilämpöpumppua, jonka lämmitysteho oli keskimäärin 6,4 kW. Maalämpöpumppu tuotti lämpöä 3870 kWh, joka vastasi 76 % kokonaislämmitysenergian tuotosta. Loput tarvittavasta lämmitysenergiasta tuotettiin sähkövastuksella. Aurinkolämpöjärjestelmän pääkomponentit olivat aurinkokeräimet ja akkuvaraaja, joka oli vastaava kuin maalämpöjärjestelmässä. Aurinkokeräinryhmä koostui kolmesta tasokeräimestä, joiden yhteenlaskettu kokonaispinta-ala oli noin 7,6 m2. Keräimien asennuskulmaksi valittiin 60 astetta ja ne suunnattiin etelään. Aurinkokeräimien maksimiteho oli helmikuussa 2,4 kW ja heinäkuussa 4,0 kW. Aurinkokeräimillä tuotettiin lämpöä 2336 kWh, josta saatiin hymykliytt06n 1774 kWh. Tämä vastasi 35 % kokonaislämmitysenergian tuotosta. Loput tarvittavasta lämmitysenergiasta tuotettiin sähkövastuksella. Maalämpöjärjestelmän lauhduttimen alhaisen lämpötilatason vuoksi varaajan yläosaa lämmitettiin lisäksi sähkövastuksella, mikä pienensi maalämpöpumpulla tuotetun energian määrää. Aurinkolämpöjärjestelmän hyötysuhdetta heikensivät suhteellisen korkeat toimintalämpötilat. Pääasiassa lämmönsiirtoputkistoista johtuvien lämpöhäviöiden osuus kokonaislämmitysenergiantuotosta oli 15 %. Luotujen simulointimallien pohjalta on mahdollista kehittää eri säätöstrategioita, joiden avulla voidaan esimerkiksi pienentää lämmityskustannuksia ja parantaa sisäilmaolosuhteita.
Description
Supervisor
Sirén, Kai
Thesis advisor
Pakanen, Jouko
Keywords
simulation, TRNSYS, renewable energy, simulointi, geothermal heat, uusiutuva energia, solar heat, maalämpö, floor heating, aurinkolämpö, lattialämmitys
Other note
Citation