Energy, economic, and environmental assessment of a solar-assisted heat pump system in Germany

Abstract

This study investigates a parallel indirect Solar-Assisted Heat Pump (SAHP) system for a typical household in Germany. The system integrates Photovoltaic-Thermal (PVT) collectors and a heat pump (HP) to meet space heating, domestic hot water, and appliance electricity demands using solar thermal energy, solar electrical energy, and grid electricity. The objectives were to evaluate the thermodynamic, economic, and environmental performance of the SAHP in Germany's three largest cities for different HP designs with different refrigerants and to compare it to other heating technologies. A sensitivity analysis was also conducted to compare the performance of heating technologies under varying electricity and natural gas prices.

To achieve this a transient mathematical model was developed through a combination of standalone PVT and HP models and simulations were conducted using actual weather data from the three studied cities. Similar, simpler models where developed for a Photovoltaic-integrated HP (PV-HP), a standalone HP and a boiler.

The results showed that the SAHP system could cover over one-third of the annual heat demand and approximately half of the annual appliance electricity demand using solar energy. However, seasonal mismatches between solar generation and heat consumption limited its overall efficiency. Among the tested cities, Munich exhibited the highest solar energy coverage (38~\% of heat demand), with the most effective performance observed in a high-performance HP design using R32 refrigerant.

Economically and environmentally, systems with greater solar energy coverage demonstrated better metrics. Notably, high-performance designs using R32 and propane were the only viable options with positive Net Present Value (960 and 255 Euro) and Payback Time within the technology's lifetime (19.3 and 19.8 years). A standalone HP or natural gas boiler could only match the SAHP's Levelized Cost of Energy in electricity equivalents under low electricity or natural gas prices respectively.

A significant challenge identified was the increase in tank temperature due to the solar thermal loop, which hindered HP output when operating on solar electricity. While SAHP systems hold considerable promise, further optimising of the design of domestic water tanks to operate at lower temperatures could greatly improve their competitiveness, making them a viable alternative to simple PV-HP systems.

Abstract (Swedish)

Denna studie undersöker en parallell indirekt solassisterat värmepump (SAVP) för ett typiskt hushåll i Tyskland. Systemet utgörs av fotovoltaisk-termiska (FVT) solfångare och en värmepump (VP) för att täcka behovet av värme, varmvatten och hushållsel genom att använda solvärme, solel och nätel. Syftet var att utvärdera SAVP-systemets prestanda i Tysklands tre största städer för olika VPar med olika köldmedier under ett termodynamiskt, ekonomiskt och miljömässigt perspektiv. En känslighetsanalys genomfördes också för att jämföra uppvärmningsteknologier under varierande el- och naturgaspriser.

För att uppnå detta utvecklades en matematisk SAVP modell genom att kombinera modeller för fristående FVT solfångare och VPar. Simuleringar genomfördes med hjälp av väderdata från de tre undersökta städerna. Liknande, enklare modeller utvecklades för en fotovoltaiskt värmepump (FV-VP), en fristående VP och en panna.

Resultaten visade att SAVP-systemet kunde täcka över en tredjedel av det årliga värmebehovet och ungefär hälften av hushållets elbehov med hjälp av solenergi. Dock begränsade säsongsmässiga skillnader mellan solenergi och värmebehov systemets totala effektivitet. Bland de testade städerna uppvisade München den största andelen av solenergi för att täcka värmebehovet (38% av värmebehovet). Den mest effektiva VPen, var en högpresterande VP som använder köldmediet R32.

Ekonomiskt och miljömässigt uppvisade system med större användning av solenergi bättre siffror. Framför allt var högpresterande VPar med R32 och propan de enda alternativen med positivt nuvärde (960 respektive 255 Euro) och återbetalningstid inom systemets livslängd (19,3 respektive 19,8 år). En fristående VP eller en naturgaspanna kunde bara matcha SAVP-systemets energikostnad i elektricitetsekvivalenter under låga el- eller naturgaspriser.

Ett viktigt problem var ökningen av temperaturen i tanken på grund av solvärmen, vilket minskade värmepumpens effektivitet när den drevs med solel. Även om SAVPar uppvisar potential kan ytterligare optimering för att fungera vid lägre temperaturer avsevärt förbättra deras konkurrenskraft, vilket kan göra dem till ett alternativ till enkla FV-VP-system.

Popular Abstract (Swedish)

Solvärme, solel och värmepumpar: Hur pass självförsörjande kan ett hushåll bli?

I Sverige och Norden är fjärrvärme det dominerande alternativet för uppvärmning av hushåll. Här värms bostäder genom ett centraliserat system där värme skickas från produktionsanläggningar via fjärrvärmenätet. I övriga Europa är uppvärmningen ofta decentraliserad, där varje hushåll står för sin egen värmeproduktion.

Till exempel är många tyska hushåll beroende av naturgasdrivna pannor för uppvärmning och varmvatten. För att minska beroendet av fossila bränslen satsar Tyskland i allt högre grad på värmepumpar. En värmepump är ett energieffektivt system som flyttar värme från en kall plats till en varm med hjälp av elektricitet. Oavsett om elen är fossilfri eller inte ger värmepumpar betydligt lägre utsläpp än fossila alternativ och med en allt grönare elproduktion blir värmepumpar dessutom alltmer attraktiva. Det så kallade ”köldmediet” i värmepumpen agerar mellanhand till överföringen mellan de två områdena och har stor betydelse när det kommer till prestanda och miljöpåverkan.

Ett annat alternativ för att minska användningen av fossila bränslen är solvärme, som omvandlar solstrålning till värme. Solfångare är grunden till solvärme, de kan placeras ut på tak och omvandlar solenergi till värme som absorberas som leds vidare till hushållet via en solvärmekrets. Det går även att kombinera solpaneler med solfångare och få ut både elektricitet och värme från solenergi på samma area. Dessa hybridmoduler kallas fotovoltaiska termiska solfångare.

I detta examensarbete studerades möjligheten att skapa ett system för självförsörjande uppvärmning för en typisk tysk enfamiljsvilla i de tre största städerna i Tyskland. Systemet kombinerar en värmepump med fotovoltaiska termiska solfångare. Solvärmen och värmepumpens värme används för uppvärmning och varmvatten, medan solelen driver värmepumpen och täcker hushållets övriga elbehov när det är möjligt. Under perioder med otillräcklig solstrålning tas resterande energi från elnätet. Examensarbetet inkluderade också en jämförelse mellan olika värmepumpar med olika köldmedier samt andra uppvärmningstekniker.

Systemet modellerades matematiskt och simulerades i programvaran MATLAB. Detta gav insikter i hur stor del av värme- och elbehovet som kunde täckas av solenergi samt hur systemet presterade ekonomiskt och miljömässigt.

Resultaten visade att systemet kunde täcka över en tredjedel av det årliga värmebehovet och ungefär hälften av hushållets elbehov med hjälp av solenergi. En begränsning var att solel ofta producerades vid andra tidpunkter än när elbehovet uppstod. Bland de undersökta städerna var systemet mest gynnsamt i München där det kunde täcka 38 % av värmebehovet. Den mest effektiva värmepumpen använde köldmediet R32, men även propan, ett nymodigt alternativ som inte skadar ozonlagret, presterade nästan lika bra. En viktig aspekt med propan är dock dess lättantändlighet.

Ekonomiskt och miljömässigt uppvisade system med större användning av solenergi bättre värden. Framför allt var två värmepumpar, med R32 och propan, de enda alternativen som kunde antas leda till lönsamma investeringar. En fristående värmepump eller en naturgaspanna kunde bara matcha det studerade systemets under mycket låga el- eller naturgaspriser. Däremot insågs att ett system uteslutande solvärmesystemet och endast inkluderade solpaneler, som kostar mycket mindre än fotovoltaiska termiska moduler, innebar en ännu rimligare investering. Utöver prisskillnaden, var det även så att kopplingen av solvärmesystemet och värmepumpen sida vid sida hindrade värmepumpen från att prestera som bäst. Det hade på så vis varit intressant att modellera ett system där solvärmesystemet och värmepumpen kopplas efter varandra för att minska värmepumpens elbehov.

Trots systemets potential finns det behov av vidare studier för att optimera dess konfiguration. Framsteg inom teknologier som fotovoltaiska termiska moduler och vattentankar kan göra systemet mer attraktivt i framtiden.

• author: Arnesson, Hugo
• supervisor: Marcus Thern
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Solar-assisted heat pump, 3E, indirect-expansion, propane, R32
• report number: LUTMDN/TMHP-24/5605-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9178118
• date added to LUP: 2024-11-21 14:30:17
• date last changed: 2024-11-21 14:30:17