Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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
Low-Temperature Heating with Heat Pumps in Single Family Houses: Design Requirements and Future Perspectives
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology. Bravida Holding AB,.ORCID iD: 0000-0001-5902-2886
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.ORCID iD: 0000-0001-6266-8485
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

This study explored the potential of low-temperature space heaters connected to a heat pump in single-family dwelling in a broader context. The aim was to map the parameters that have the greatest impact on the thermal performance of this type of heating systems and their CO2 emissions. The results suggest that the ability of a heating system to be operated with a low-temperature supply depends to a large extent on the heating demand of a building, and the size, type and efficiency of the space heaters.It was shown that an increase in the water flow rate from 0.01 to 0.05 kg/s would significantly increase the heat outputs from analyzed heating systems. Consequently, this would also improve the efficiency of closed-loop heat pumps connected to these systems. This change would not increase the pumping power need, nor would it create noise problems if the distribution pipes and thermostatic valves were properly selected. It was further demonstrated that the efficiency of the heat pumps could be additionally improved by halving the energy needs for the domestic hot-water and circulation pumps. The results also suggest that the exergy need is significantly lower in heating systems that are operated with small temperature drops.

Keyword [en]
Low-temperature heating, Energy efficiency, CO2 emissions, Heat pump, Hydraulic losses, System analysis
National Category
Building Technologies
Research subject
Energy Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-193104OAI: oai:DiVA.org:kth-193104DiVA: diva2:975166
Note

QC 20160929

Submitted

Available from: 2016-09-28 Created: 2016-09-28 Last updated: 2016-09-29Bibliographically approved
In thesis
1. Low-temperature Heating in Existing Swedish Residential Buildings: Toward Sustainable Retrofitting
Open this publication in new window or tab >>Low-temperature Heating in Existing Swedish Residential Buildings: Toward Sustainable Retrofitting
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

As an energy-efficient alternative in cold climate countries such as Sweden, low-temperature heating (LTH) technology has shown promising advantages and shortcuts to contribute to the efficiency of heat supply, as well as to the overall sustainability of building performance. The goal of this thesis is to contribute to the development of methodologies and modeling tools to support sustainable retrofitting in the Swedish housing stock. A combination of three integrated modeling techniques was developed. The main focus of this work was implementing LTH in retrofitting practice. The principle of the developed methods can be regarded as a top-down approach, underpinning the general definition of LTH and sustainability criteria. It was found that a preliminary compilation and investigation of the building typology could simplify the retrofitting decision-making. Also, 36–54% of final energy savings could be achieved in studied housing archetypes by effective energy retrofitting. Combining LTH radiators with ventilation heat recovery showed the largest contributions. Below 30 W/m2 (12 W/ m3) heating demand, both radiators (ventilation radiators and baseboard radiator) could work as LTH. These reduced supply temperatures further improved the COP of air-source heat pumps by approximately 12% - 18%. For retrofitting of conventional radiators, there was no concrete evidence to support Type 22 having higher thermal efficiency than Type 21, for the Swedish climate and heating seasons. The achievements and full potential of implementing LTH in retrofitting were found to require not only efficient radiators, but also a well-designed package – insulation, piping, pumping and energy supply system - that suited the current heating demand of the building, given the local climate condition.

However, it should also be highlighted that retrofitting incorporating all evaluated measures would not always yield higher long-term economic profits among different archetypes. It is important to find the trade-off between cost-effectiveness and energy savings in similar archetypes - instead of using a “one size fits all” types of solution. For conventional retrofit measures, such as insulations of building envelopes, it was necessary to evaluate the embodied energy during the whole retrofitting process.

Abstract [sv]

Den ökande relativa energianvändningen i bostadsbyggnader i stadsmiljö har lett till högre krav på energieffektivit och hållbar omvandling av redan existerande bostadsbyggnader. En viktig förutsättning för att genomföra en sådan omvandling är att först utveckla metoder för hur effektiva beslut om renovering ska ske, samt att utveckla teknik för hållbar renovering. Lågtemperatursuppvärmning (LTH) har visat sig ha fördelar som ett hållbart och energieffektivt alternativ i länder med kallt klimat som Sverige. Metoden bidra till ökad effektivitet för uppvärmning och minskade energibehov för byggnadskomplexet. Det saknas fortfarande flera steg för hur man ska utforma modelleringsverktyg och utveckla kostnadseffektiva metoder för beslutsfattning och implementering av LTH i redan existerande byggnader. Dessutom försvårar avsaknaden av dessa verktyg och metoder genomförandet av kritiska utvärderingar av renoveringsalternativ utifrån hållbarhets- och effektivitetssynpunkt med huvudfokus på energibesparingspotential, miljöpåverkan och nöjdhet hos de boende. Dessa frågor undersöks i denna avhandling i samband med renovering av existerande bostadsbyggnader i Sverige.

 

Målet är att bidra till utvecklingen av metoder och modelleringsverktyg för hållbar renovering. Under arbetet utvecklades tre modelleringskoncept som integrerats med varandra och som svarar för olika steg i renoveringsmodelleringen. Huvudfokus i arbetet var att göra LTH till en del av vår renoveringspraxis. De renoveringsalternativ som studerats i arbetet inkluderar renovering av klimatskalet för att minska energibehovet samt implementering av LTH-radiatorer och där påvisa deras fördelar för valt primärenergisystem. Analysen omfattar även den sammantagna effekten av och de ömsesidiga beroenden som föreligger mellan olika renoveringsåtgärder. Här utvecklade metoder kan sägas följa en ”uppifrån och ner” strategi och stärker LTH som ett uppvärmningsalternativ som uppfyller hållbarhetskriterier.

 

Avhandlingen visar att effektiv renovering av energisystem kan minska det slutliga energibehovet med 36-54 % i de studerade byggnadstyperna. Kombinationen av LTH-radiatorer med värmeåtervinning från ventilation gav de allra största positiva bidragen. LTH-radiatorerna (ventilationsradiatorer och värmelister) fungerade som lågtemperatursuppvärmning vid uppvärmningsbehov under 30 W/m2 (12 W/ m3) och som ultra-lågtemperaturuppvärmning vid uppvärmningsbehov under 10 W/m2 (4 W/ m3).

De låga framledningstemperaturer som leds till LTH-radiatorer bidrar dessutom till att öka COP (värmefaktorn) för luftvärmepumpar med 12 – 18 %, jämfört med traditionella radiatorer med lika stor värmeavgivande area.

Något konkret stöd fanns inte för att Typ 22-radiatorer (dubbel konvektionsplåt) skulle ha högre värmeeffektivitet än Typ 21-radiatorer (enkel konvektionsplåt) för svenska klimatetförhållanden. Ökat antal konvektorplåtar visade sig alltså inte nödvändigtvis leda till ökad värmeeffektivitet.

Tröskelvärdet för när Typ 11-radiatorer (enkel panel) presterar sämre än den mest effektiva radiatortypen, Typ 21-radiatorer (dubbel panel) som även har bättre exergiprestanda, visade sig vara ett värmebehov av 480 W/rum.

För att uppnå full potential för LTH-radiatorer som renoveringsalternativ visade det sig utöver mer effektiva radiatorer även behövas ett välutformat system av rör, pumpar och energitillförsel, anpassade till byggnadens värmebehov före renovering vid rådande klimat.

 

Renovering som inkluderar alla möjliga alternativ leder inte alltid till högre långsiktig ekonomisk avkastning. Det är viktigt att finna en balans mellan kostnadseffektivitet och energibesparing för likande byggnadstyper, i stället för att utveckla en enda lösning som ska passa överallt. För traditionella renoveringsalternativ, så som isolering, var det nödvändigt att utvärdera den inbäddade energin under hela renoveringsprocessen. Stor risk för överskattad hållbarhet föreligger om man inte beaktar detta.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 69 p.
Series
TRITA-STKL, 2016:01
Keyword
Retrofitting, Low-temperature heating, Energy efficiency, Sustainability, Swedish residential buildings, Renovering, Lågtemperatursuppvärmning, Energieffektivitet, Hållbarhet, Svenska bostadsbyggnader
National Category
Building Technologies
Research subject
Energy Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-192958 (URN)978-91-7729-126-8 (ISBN)
Public defence
2016-10-20, F3, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH Campus, Stockholm, 13:30 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
D6559
Note

QC 20160929

Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-23 Last updated: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Authority records BETA

Wang, Qian

Search in DiVA

By author/editor
Ploskić, AdnanWang, Qian
By organisation
Fluid and Climate Technology
Building Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 52 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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