Evaluation of new active technology for low-energy houses

Abstract

Using energy at low-quality levels opens up new possibilities for low-energy houses. Low-quality energy can be heat at a temperature that is close to that of its surrounding, and can be used, for example, to pre-heat ventilation air or domestic hot water. Pre-heating the incoming outdoor air reduces the need to heat ventilation and reduces the need for high-quality energy such as electricity or heat from a fire. This thesis investigates two such possible energy utilizations, the PV/T solar window and the hybrid ventilation system. They are very different in how they reduce the need for auxiliary energy in buildings, and they cover different fields of low-energy building technique. However, what they have in common is the concept of low-quality energy. The solar window produces both electricity and hot water. What the photovoltaic cells cannot utilize at the high-quality energy level is instead used to produce hot water. The hybrid ventilation system pre-heats the incoming ventilation air in the heat recovery system, thereby lowering the need for high-quality energy. The PV/T solar window comprises PV cells laminated on solar absorbers placed in a window behind the glazing. To reduce the costs of solar electricity, tiltable refl ectors were included in the design to concentrate solar radiation onto the solar cells. The refl ectors enable control of the amount of solar radiation transmitted into the building. The insulated refl ectors also reduce thermal losses through the window. The effects on the light distribution and the architectural implications are discussed in earlier studies (Fieber, 2005; Fieber et al., 2003; Fieber, Nilsson, & Karlsson, 2004) together with effects on the building when different strategies for controlling the reflectors are used. Long-term measurements were taken of the thermal- and electrical energy output from the solar window. A model was developed to simulate the electricity and hot water production, and the model was calibrated against the measured values from a prototype solar window installed in a laboratory and against a solar window built into a single-family building. The results from the simulation showed that the solar window produces about 35% more electrical energy per unit cell area than a vertical flat PV module. However, PV cells placed on the roof of the building would produce approximately 17% more electricity per unit cell area than the solar window. The simulations carried out on system level showed that installing a 16 m² solar window (glazed area) in a single-family building reduces the annual heating need by approximately 600 kWh. However, if the absorbers (5.06 m²) and PV cells (4 m²) from the solar window are installed separately on the roof instead of in the window, the annual heating need is reduced by a further 1100 kWh.

A water-to-air heat exchanger was developed for use in naturally ventilated buildings. This requires that the pressure drop of the air is kept close to zero. The heat exchanger comprises solar collector absorbers soldered onto a manifold. Basic heat transfer equations were used in order to optimize the dimensions of the heat exchanger in terms of heat transfer and pressure drop. A laboratory measurement showed the temperature heat recovery rate to be 80% at component level. At the same time the pressure drop was 1 Pa for the designed air flow rate. System simulations were then carried out in order to investigate the impact for a building equipped with natural/hybrid ventilation with heat recovery. A brine-based heat recovery system enables the utilization of other energy sources such as ground collectors or waste water heat recovery units. A waste water heat recovery system was built into a single-family house, and was designed to supply energy to both domestic hot water and the ventilation system. The simulations showed that a typical single-family house can reduce the heating need by approximately 600-800 kWh annually, i.e. roughly 25% of the annual need for hot water, with waste water heat recovery. The simulations showed that using ground collectors for the ventilation system has limited effects on the heating need, so the main benefit is limited to lowering the risk of frost on the heat exchanger surface. The overall conclusion from an energy perspective is that the solar window performs poorly compared to standard solar energy components. The hybrid ventilation system with the developed heat exchangers has the potential to be an interesting ventilation system when building low-energy houses or when renovating residential buildings to improve energy effi ciency.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bostäder och service svarar för hela 36 procent av Sveriges totala energianvändning, av detta står bostäder och lokaler för ungefär 86 procent. Den svenska riksdagen har antaget EU: s klimat-och energipolitiska mål som skall nås till 2020, som kallas "20-20-20"-målen. EU:s 20-20-20-mål innebär att vi ska minska klimat¬påverkan med 20 procent, uppnå 20 procent förnybar energi och ¬ef¬fek¬¬-tivisera energianvändningen med 20 procent, allt till år 2020. För svensk del är målet att ca hälften av "20-20-20"-målen skall uppnås inom bebyggelsen dvs. bostäder och lokaler. Målsättningen blir då till år 2020 en reduktion på ca 25 % av energianvändningen i bebyggelsen i förhållande till användningen 1995. Till år 2020 skall beroendet av fossila bränslen för energianvändning i bebyggelsesektorn vara brutet, samtidigt som andelen förnybar energi ökar kontinuerligt. Till år 2050 är Sverige nationella miljökvalitetsmål för energieffektivisering att energianvändningen i byggnader ska minska med 50 % jämfört med år 1995. För att uppnå dessa mål krävs energieffektivisering både vid ny- och ombyggnad samt i befintlig bebyggelse, samt att den energi som trots allt behöver tillföras är miljövänlig och förnybar.

Flera faktorer påverkar spridningen av ny energi- och miljöteknik. Bland annat får tekniken inte vara för dyr. Samtidigt går det inte att begära att konsumenterna drastiskt ska sänka sin levnadsstandard för att spara energi. Ingen vill bo i ett hus som håller 10°C även om det är miljövänligt och är billigt i drift.

I en ny doktorsavhandling undersöks därför två produkter med potential att minska energianvändningen och öka användningen av förnybar energi, ett solfönster dvs. ett fönster med en integrerad solcells/solfångar-hybrid för produktion av el och varmvatten samt en värmeväxlare för värmeåtervinning i självdragsventilation. Solfångarhybriden minskar behovet av köpt el och varmvatten men minskningen av effektbehovet är begränsad. En effektsänkning kan man däremot få genom att installera värmeåtervinningsaggregat för ventilationen som sparar energi oberoende av sol och vind.

Solfångarhybriden består av vätskekylda absorbatorer varpå det limmats solceller. Detta gör att den delen av solstrålningen som inte används till elframställning i solcellen istället kan användas för att värma vatten. Själva solfångaren sitter monterad i ett fönster. Solfångaren är även utrustad med reflektorer, vars lutning kan ändras, placerade strax bakom absorbatorerna vilket bland annat möjliggör en ökad solstrålning på solfångaren, solskydd åt byggnaden samt minskade energiförluster genom fönstren då reflektorerna är stängda.

Långtidsmätningar och avancerade beräkningar har genomförts för att utvärdera en solfångarhybrid. Utvärderingen visar att solfångarenheten fungerar bra på komponentnivå dvs. den producerar såväl el som varmvatten samtidigt som den fungerar som solskydd vid behov. Problem uppstår dock med den passiva uppvärmningen av huset. När solfångare och solceller absorberar solens strålar minskar samtidigt solstrålningen genom fönstret som i annat fall skulle värmt och lyst upp byggnaden. Detta minskade energiflöde genom fönstret gör att en stor del av vinsten med el- och värmeproduktionen raderas ut. Sammantaget kan man säga att det är bättre att placera solfångare och solceller på husets tak då denna möjlighet ges.

En värmväxlare för självdragsystem har utvecklats. Laboratoriemätningar och avancerade beräkningar visar att värmeväxlaren skiljer sig från vanliga luftvärmeväxlare framförallt genom att tryckfallet är mycket lågt. När standardaggregat har ett tryckfall på flera hundra Pascal har den nya växlaren ett tryckfall på ungefär en Pascal. Trots det låga tryckfallet kan ventilationen under sommarhalvåret behöva förstärkas med en hjälpfläkt dvs. ett hybridventilationssystem. För maximal värmeåtervinnig har växlaren dimensionerats på ett sådant vis att den även har en hög värmeöverföring, förutom det låga tryckfallet. Laboratoriemätningar visar att en verkningsgrad på upp emot 80 % kan uppnås. Lågt tryckfall och hög värmeöverföring gör dock att växlaren bli stor och utrymmeskrävande. Det är därför viktigt att veta om detta så tidigt som möjligt i byggprocessen.

Själva systemet bygger på att två vätskekopplade värmeväxlare arbetar mot varandra. En växlare på taket tar värme från den utgående luften och växlar över den till en vätska. Den värmda vätskan pumpas till värmeväxlaren i huset som är placerad vid den inkommande luften. Vätskan lämnar sin värme till den inkommande luften innan den pumpas tillbaka till taket för att påbörja ett nytt varv. Energibesparingen blir jämförbar med att installera fläktventilation med från- och tilluft med värmeväxlare, men med fördelen att elanvändning blir mycket lägre.

Systemanalysen visar att tekniken kan användas även när hårda energimål satts upp för byggnaden, men att en hjälpfläkt behövs på sommarhalvåret för att få tillräcklig ventilation. Tekniken kan användas i såväl passivhus som nollenergihus.

I framtiden behöver verkliga tester av ventilationssystemet genomföras. Frågor som måste besvaras är t.ex. hur smutsig luft påverkar värmeväxlarfunktionen. Kommer damm etc. att minska verkningsgraden? Hur styrs hjälpfläkten?

Sammantaget är slutsatsen från ett energisperspektiv att solfönstret fungerar dåligt jämfört med en standard solfångare och en standard solcell. Hybridventilationssystemet med den utvecklade värmeväxlaren kan potentiellt bli ett intressant ventilationssystem för lågenergibyggnader eller vid renovering av bostäder för att reducera energianvändningen.

• author: Davidsson, Henrik
• supervisor: Åke Blomsterberg; Bengt Hellström; Björn Karlsson; Bengt Perers
• opponent: Professor Heiselberg, Per, Institut for Byggeri og Anlæg, Ålborg universitet, Denmark
• organization: Division of Energy and Building Design; Energy and Building Design-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Building Technologies
• keywords: Low-quality heat, hybrid ventilation, heat recovery, active house, solar window, PV/T hybrid, building integration, TRNSYS
• pages: 266 pages
• defense location: Room A:B, A-building, Sölvegatan 24, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-02-26 13:15:00
• ISBN: 978-91-85147-56-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b8f99c2e-27a9-4769-bfbc-145d276a060a (old id 4249893)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:29:49
• date last changed: 2018-11-21 21:05:13