Integration of Solar Photovoltaic-Thermal (PVT) Collectors in District Heating Networks
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
District heating is a critical urban infrastructure that has seen a great rise in demand, while it is simultaneously in need of improvement to become 4th (4GDHC) or 5th generation district heating and cooling (5GDHC). Amongst other things, the transition necessitates increased integration of renewable energy sources. One possible option for this venture lies in the continuously developing heating technology that is photovoltaicthermal (PVT) collectors; however, there have not been many studies that looked into its integration into district heating. This study aims to assess the techno-economic feasibility and impact of integrating PVT collectors into the district heating network. Based on literature review results on PVT and DH technology, multiple configurations of district heating scale PVT systems are constructed and modelled for a case study of supplying Bitola, North Macedonia. The city of Bitola has a population of 85,000 and a heating demand of 143.28 GWh/yr. PVT and borehole capacities are varied and subjected to techno-economic assessment. Amongst the tested configurations, the configuration with PVT and ground source heat pump (GSHP) serially connected had the best performance in cost-effectiveness and cost-efficiency with a levelized cost of heat (LCOH) of 63.32 €/MWh and a system utilization factor of 57.36%, therefore selected as the optimal configuration for this application. In addition to PVT and BHE sizing, further investigation on heat pump and storage size influence yielded the optimal configuration to this application, consisting of 1960 m2 PVT area, 250,000 m of total borehole length, 24 MWth heat pump, and 6,500 m3 storage capacity with a LCOH of 62.31 €/MWh and a utilization factor of 57.43%. It can be concluded that with an LCOH range of 56-113 €/MWh and the optimal with 62.31 €/MWh in terms of economic performance, leaves room for improvement even with a comparable utilization factor and solar thermal yield range (380-460 kWh/m2 ). Hence, there are considerable barriers to the integration of PVT in district heating. Future work, including lower temperature demand and including multiple electrical strategies and longer simulations, could address these limitations
Abstract [sv]
Fjärrvärme är en kritisk urban infrastruktur som har sett en kraftig ökning i efterfrågan, samtidigt som den behöver förbättras för att uppnå fjärde (4GDHC) eller femte generationens fjärrvärme och fjärrkyla (5GDHC). Övergången kräver bland annat en ökad integration av förnybara energikällor. Ett möjligt alternativ för detta är den kontinuerligt utvecklade värmeteknologin fotovoltaisk-termiska (PVT) solfångare, men det finns få studier som undersökt dess integration i fjärrvärmesystem. Denna studie syftar till att utvärdera den teknisk-ekonomiska genomförbarheten och effekten av att integrera PVT-solfångare i fjärrvärmenätet. Baserat på litteraturstudier om PVT- och fjärrvärmeteknik har flera konfigurationer av fjärrvärmeskaliga PVT-system konstruerats och modellerats för en fallstudie där staden Bitola i Nordmakedonien försörjs. Bitola har en befolkning på 85 000 och ett värmebehov på 143,28 GWh/år. PVT- och borrhålskapacitet har varierats och utvärderats teknisk-ekonomiskt. Bland de testade konfigurationerna presterade den med seriekopplad PVT och bergvärmepump (GSHP) bäst vad gäller kostnadseffektivitet och kostnadsnytta, med en nivåiserad värmekostnad (LCOH) på 63,32 €/MWh och en systemutnyttjandefaktor på 57,36%, och valdes därför som den optimala lösningen för denna applikation. Vidare analys av värmepumpens och lagringens storlek resulterade i en optimal konfiguration bestående av 1960 m² PVT-yta, 250 000 m total borrhålslängd, 24 MWth värmepump och 6 500 m³ lagringskapacitet, med en LCOH på 62,31 €/MWh och en utnyttjandefaktor på 57,43%. Det kan dras slutsatsen att med ett LCOH-intervall på 56–113 €/MWh och det optimala värdet på 62,31 €/MWh finns det fortfarande förbättringspotential, även med jämförbar utnyttjandefaktor och solvärmeutbyte (380–460 kWh/m²). Därmed finns betydande hinder för PVT-integrering i fjärrvärme. Framtida arbete, inklusive lägre temperaturkrav, fler elektriska strategier och längre simuleringar, kan bidra till att hantera dessa begränsningar.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 65
Series
TRITA-ITM-EX ; 2025:436
Keywords [en]
Photovoltaic-Thermal (PVT), District Heating, Heat Pump
Keywords [sv]
Fotovoltaisk-Termiska (PVT), Fjärrvärme, Värmepump
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-372120OAI: oai:DiVA.org:kth-372120DiVA, id: diva2:2009207
Subject / course
Energy Technology
Educational program
Degree of Master
Presentation
2025-09-09, 00:00
Supervisors
Examiners
2025-10-272025-10-272025-10-27Bibliographically approved