Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorLindberg, Karen Byskov
dc.contributor.authorBagle, Marius
dc.date.accessioned2019-11-06T15:03:51Z
dc.date.available2019-11-06T15:03:51Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2627027
dc.description.abstractZero Emission Buildings (ZEB) er energieffektive bygninger som produserer fornybar energi "on-site", for å kompensere for forbruk. ZEB-konseptet er basert på rapporten fra EUs direktiv om energieffektivitet av bygninger (EPBD) utgitt i 2010, som foreslår at alle bygninger bygget etter 2020 skal nå "near zero energy level". I tidligere forskning på energisystemer i ZEBs har deterministiske lineære optimaliseringsteknikker, sammen med et bredt spekter av data, som lastdata, temperaturer og teknologipriser blitt brukt til å bestemme den kostnadsoptimale utformingen av energissystemer i lavenergibygninger. Vanligvis har varmelasten i bygningene blitt behandlet som en aggregert last. Hovedformålet med denne oppgaven er videreutviklingen av et Mixed Integer Linear Program (MILP), implementert i det generelle programmeringsspråket Python, ved hjelp av modellbyggingsbiblioteket Pyomo. Utgangspunktet for arbeidet var den to-trinns stokastiske modellen utviklet i en tidligere masteroppgave, transformert tilbake til et deterministisk rammeverk. Først ble separasjonen av varmelasten i to separate komponenter utført, en for romoppvarming og en for varmtvann. Deretter syntetiseres en modell basert på punktvarmekilder. Det første av to hovedmål er å analysere og sammenligne drift og investering av punktkildemodellen og den allerede eksisterende vannbårne modellen, både med og uten ZEB-begrensningen. Emissionsbegrensningene er definert på en måte som kun tar hensyn til utslippene i driftsfasen av bygningen, et ambisjonsnivå kjent som "ZEB-O EQ". Dataene som brukes for optimaliseringen er basert på simulerte lastdata for varme- og strømforbruket. Data fra 2012, regnet som et gjennomsnittlig klimatisk år, brukes. Siden separasjonen av varmetilførselen i to forskjellige komponenter for hver teknologi fører til en drastisk økning i antall variabler, brukes en enkel reduksjonsteknikk, som velger uken som inneholder tidssteget med det høyeste romoppvarmingsbehovet fra hver sesong til å konstruere et redusert scenario. Det andre hovedformålet med oppgaven er å undersøke lastfleksibilitet i ZEBs ved å bruke bygningens termiske masse som et kortsiktig energilager. En to-node modell som representerer bygningens termiske masse er implementert, både i punktvarmekildesystemet og i det vannbårne systemet. Så blir virkningen av å legge til dette lageret analysert og sammenlignet for de respektive systemene. Siden det er noe usikkerhet knyttet til parametrene til i to-node modellen, utføres en sensitivitetsanalyse for å undersøke både to-node modellens egnethet i et MILP-rammeverk, og å finne et spekter av verdier for kostnadsreduksjonen som kan forventes ved bruk av bygningens termiske masse som energilager. Resultatene viser at det vannbaserte systemet er det kostnadsoptimale valget for energisystemet i et lavenergihus, både med og uten utslippskrav. En betydelig del av denne fordelen ligger i de vannbårne varmepumpenes effektivitet, i tillegg til fleksibiliteten i det vannbårne systemet, siden teknologiene kan operere på både romoppvarmings- og varmtvannslasten. Videre er påvirkningen på kraftnettet av det vannbårne systemet mer gunstig, da varighetskurven for total import av elektrisitet er betydelig flatere enn for punktvarmesystemet. Når man legger til bygningens termiske masse som energilager, kan man se en reduksjon i topplastkapasiteten for begge systemer, noe som tyder på at termisk masse kan brukes som erstatning for topplastteknologier i lavenergibygg, f.eks. den elektriske kjelen. Videre kan betydelige reduksjoner i netto nåverdi av både total systemkostnad og driftskostnad ses. De mest lovende casene ble funnet da begge systemene ble tvunget til å adlyde ZEB-begrensningen med termisk masse som lager, som viste reduksjoner i driftskostnader på 8,60 % og 7,79 % (sammenlignet med ingen termisk masse / noBITES) for punktkilde og vannbårne systemer. I tillegg ble det observert en tilsvarende reduksjon i totalimport av elektrisitet i disse to tilfellene, noe som tyder på at "on-site" produksjonen fra solcellepaneler brukes til å forvarme bygningen før kveldstid, da både spotprisene og romoppvarmingsbehovet generelt er høyere. Sensitivitetsanalysen viser at den anvendte representasjonen for bygningens termiske masse utviser en forholdsvis liten følsomhet for sine parametere. De vurderte verdiene, som i det ekstreme tilfellet varierte med fem størrelsesordener, ga en rekkevidde for den totale kostnadsreduksjonen på mellom ca. 1300 euro og 2500 euro gjennom byggets levetid.
dc.description.abstractZero Emission Buildings (ZEBs) are energy efficient buildings that produce on-site renewable energy, in order to compensate for their consumption. The ZEB-concept is based on the 2010 report by EU's Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), which suggests that all buildings constructed after 2020 should reach "near zero energy level". In previous research on energy systems in ZEBs, deterministic linear optimization techniques, in conjunction with a wide array of input data, such as load data, temperatures and technology prices has been used to determine the cost-optimal design of technology investments in low energy buildings. Usually, the heat demand of the buildings considered has been treated as an aggregated load. The main purpose of this thesis is further development of a Mixed Integer Linear Program (MILP), implemented in the open-source general purpose programming language Python, using the modelling extension library Pyomo. The starting point of the work was the two-stage stochastic model developed in a previous master thesis, transitioning back to a deterministic framework. At first, the separation of the heat demand into two separate loads is carried out, one for space heating and one for domestic hot water. Then, a model based on point-source technologies is synthesized. The first of two main objectives is to analyze and compare the operation and investment of the point-source model and the already existing waterborne model, both with and without the ZEB-constraint. The emission constraints are defined in such a way as to consider the emissions in the operational phase of the building, an ambition level known as "ZEB-O EQ". The input data used for the optimization is based on simulated load data of the heat and electricity demand. Data from 2012, considered to be an average climatic year, is used. Since the separation of the heat demand into two different loads causes a drastic increase in the number of variables, a simple reduction technique, selecting the week with the highest space heating load from each season, is used to construct a reduced scenario. The second main objective of the thesis is to investigate the load flexibility of the ZEB, using the thermal mass of the building as a short-term thermal energy storage. A two-node model representing the thermal mass of the building is implemented, in both the point-source and the waterborne model. Then, the impact of adding this storage is analyzed and compared for the respective systems. Since there is some uncertainty associated with the parameters of the two-node model, a sensitivity analysis is performed, in order to determine both the suitability of the two-node representation in a MILP-framework, and also to find a range of values for the cost reduction that can be expected when using the building thermal mass as an energy storage. The results show that the waterborne system is the cost-optimal choice for the energy system in a passive house, both with and without emission constraints. A significant part of its advantage lies in the greater efficiency of the waterborne heat pumps, in addition the flexibility inherent in the waterborne system, since the technologies can operate on both the SH- and DHW-load. Furthermore, the grid impact of the waterborne system is more favorable, as the duration curve for total electricity import is significantly flatter than for the point-source system. When adding the building thermal mass as a storage technology, a reduction in peak load capacity can be seen for both systems, which suggests that the thermal mass can be used as a substitute for the peak load technologies, e.g. the electric boiler, in passive house energy systems. Furthermore, significant decreases in the net present value of both the total system cost and operational cost can be seen. The most promising cases were found when both systems were forced to obey the ZEB-constraint with the thermal mass as a storage technology, showing reductions in operational costs of 8.60 % and 7.79 % (compared to no thermal mass/noBITES) for the point-source and waterborne systems, respectively. Additionally, a similar reduction in total electricity import was seen in these two cases, suggesting that the the on-site production from the photo-voltaic panels are used to pre-heat building for the evening, when spot prices generally are higher. The sensitivity analysis shows that the thermal mass representation used exhibits a relatively small sensitivity to its parameters. The values considered, which in the most extreme case varied by five orders of magnitude, yielded a range for the total cost reduction of between ca. 1300 euro and 2500 euro through the lifetime of the building.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleInvestigation into the impact of thermal energy flexibility on cost optimal design and operation of Zero Emission Buildings
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail
Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel