kth.sePublications
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
Ground Source Heat Pumps for Swedish Multi-Family Houses: Innovative Co-Generation and Thermal Storage Strategies
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Applied Thermodynamics and Refrigeration. (ENSEED)ORCID iD: 0000-0002-2603-7595
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Applied Thermodynamics and Refrigeration.ORCID iD: 0000-0001-7354-6643
2018 (English)Report (Other academic)
Abstract [en]

Ground source heat pumps (GSHP) have a relatively small market share in multi-family houses in part due to the limited land space available for drilling. The rapidly growing market for solar photovoltaics (PV) provides an opportunity for GSHP by acting as a secondary heat source and regenerating the ground via a heat exchanger fixed to the rear of the panel. The hybrid PV/thermal collectors, called PVT, have higher efficiencies than PV only, but also come with a significant additional cost.

The primary objective of this research is to identify the technical and economic potential of PVT integration into multi-family house GSHP systems with borehole energy storage. This is achieved through a comprehensive technology review, dynamic complete systems modeling, construction of a detailed test site, and a qualitative assessment of commercial opportunities.

The results show that PVT collectors can adequately support a significant undersizing of boreholes, but that it is economical only in specific conditions. One is where the heat pump shuts down due to the excessive low source temperatures and runs on the backup auxiliary heater. The savings from drilling and the increase in seasonal performance factor (SPF) is enough to justify the additional cost of the PVT. In cases where a heat pump has been running for several years and the ground temperatures are low, PVT can lift and stabilize temperatures at a lower cost than additional drilling (assuming it is possible to do additional drilling). In cases where land area is not a limitation, the highest efficiency and lowest cost option is to drill a traditionally sized borehole field and install a PV-only system.

Integrating PVT into the GSHP is relatively simple as compared to traditional solar thermal systems. There are no changes to the hot water tank or space heating, only a heat exchanger inserted into the borehole circuit, making integration and retrofitting simple. Enabling a greater number of multi-family houses to install GSHP can reduce energy costs, primary energy demand, and carbon dioxide emissions. The form factor of modern PVT modules is the same as PV and currently qualify for government support, providing opportunities for manufactures and installers to expand their product offerings.

PVT has shown potential to help unlock the Swedish multi-family house market for GSHP and work on detailed configurations, empirical performance, and cost reductions should be the focus of future research.

Abstract [sv]

Bergvärme har en relativt liten marknadsandel i flerfamiljshus, delvis på grund av det begränsade markutrymmet tillgängligt för borrning. Den snabbt växande marknaden för solceller (PV) ger en ny möjlighet för bergvärme genom att kunna fungera som sekundär värmekälla och regenerera marken via en värmeväxlare monterad på baksidan av PV-panelen. Hybrid PV / termiska kollektorer, kallad PVT, har högre effektivitet än PV, men har också ett betydligt högre pris.

Det primära målet för detta forskningsprojekt har varit att identifiera den tekniska och ekonomiska potentialen för PVT-integration i flerfamiljshus med bergvärme-system. Detta uppnås genom en detaljerad teknisk analys, dynamisk modellering av hela systemet, noggrann utformning av testinstallationen och en kvalitativ bedömning av kommersiella möjligheter.

Resultaten visar att PVT-kollektorerna kan kompensera för en betydande underdimensionering av borrhålslagret, men att denna lösning endast är ekonomisk under specifika förhållanden. Ett fall är där värmepumpen periodvis stängs av på grund av låga köldbärartemperaturer och systemet istället körs på direktelvärme. Besparingarna från borrningen och ökningen av årsvärmefaktorn (SPF) är i dessa fall tillräckliga för att motivera extrakostnaden för PVT. I de fall där en värmepump har körts i flera år och marktemperaturerna är låga kan PVT lyfta och stabilisera temperaturerna till en lägre kostnad än ytterligare borrning (om detta över huvud taget är möjligt). I de fall där tillgång till mark inte är en begränsning är det högsta effektivitets- och lägsta kostnadsalternativet att göra ett borrhålslager av traditionellt storlek och bara installera ett vanligt PV system.

Att integrera PVT med bergvärme är relativt enkelt jämfört med traditionella solvärmesystem. Det behövs inga förändringar i varmvattentank eller uppvärmningssystem, endast en PVT-värmeväxlare införd i borrhålskretsen, vilket gör integration och eftermontering enklare. Att möjliggöra för ett större antal flerfamiljshus att installera bergvärme kan minska energikostnaderna, primärenergianvändningen och koldioxidutsläppen. Måtten för moderna PVT-moduler är samma som för PV och PVT kvalificerar för närvarande för statligt stöd, vilket ger möjligheter för tillverkare och installatörer att expandera sina produktutbud.

PVT har visat sig kunna hjälpa till att öppna upp den svenska flerfamiljshusmarknaden för bergvärme och fortsatt forskning bör fokuseras på detaljerade lösningar för utformningen, empirisk bestämning av prestanda och reduktion av kostnaderna.

Place, publisher, year, edition, pages
2018.
Keywords [en]
Solar Heat Pump, PVT, Solar Hybrid, Borehole Thermal Energy Storage, TRNSYS
Keywords [sv]
Solvärmepump, PVT, Solhybrid, Termisk Energilagring i Borrhål, TRNSYS
National Category
Energy Engineering Building Technologies
Research subject
Civil and Architectural Engineering, Building Service and Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-272716OAI: oai:DiVA.org:kth-272716DiVA, id: diva2:1426526
Funder
Swedish Energy Agency, 40936-1
Note

QC 20200429

Available from: 2020-04-27 Created: 2020-04-27 Last updated: 2024-03-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

SommerfeldtMadani2018_SolarHeatPumpsForMFH-EffsysExpand(3463 kB)443 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3463 kBChecksum SHA-512
c3cc9c6190343df214177554595831b746c32738606e6cc62081e30a6dd4a358f2ebce27a8674ef80b1c98651fc437ab319db9808d47b8d9eb5b8286375fa2e1
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records

Sommerfeldt, NelsonMadani Larijani, Hatef

Search in DiVA

By author/editor
Sommerfeldt, NelsonMadani Larijani, Hatef
By organisation
Applied Thermodynamics and Refrigeration
Energy EngineeringBuilding Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 443 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: 583 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