Modelling and Simulation of Combined Cooling, Heating, and Power System for a Multi-Renewable Energy Supply in Low-Carbon Buildings

Abstract

Det er en økende bekymring knyttet til menneskeskapte CO2 utslipp, blant annet fra fossile kraftverk og konvensjonelle varmeanlegg. Økte utslipp bidrar til en global oppvarming. Bærekraftig energiproduksjon, og utvikling av miljøvennlige energiløsninger, regnes som en viktig faktor for å snu den negative utviklingen. En av de nye energiløsningene som kan bidra til å redusere CO2 utslippene er kombinerte kjøle, varme, og strømforsynings (CCHP) anlegg.

Denne oppgaven vil undersøke forskningsspørsmål tilknyttet det pågående ChiNoZEN forskningsprosjektet, som primært omhandler lavutslippsnabolag og lavutslippsbygg. Prosjektet er ett samarbeid mellom kinesiske og norske forskere. Den antatte systemkonfigurasjonen med tilhørende komponentkapasiteter er anbefalt og utviklet av de kinesiske samarbeidspartnerne i prosjektet.

I oppgaven er det spesifikke CCHP systemet hovedsakelig vurdert på bakgrunn av energiproduksjon og utslipp av CO2. Systemet er utviklet for å dekke energibehovet til ett spesifikt lavutslippsnabolag, og er basert på fornybare energikilder. Systemkonfigurasjonen består hovedsakelig av en varmepumpe (luft-til-vann), forbrenningsmotor (biogass som drivstoff), fotovoltaiske termiske solfangere, en biogass-komponent, varmtvannsbereder, og to vindturbiner. For å sikre at energiproduksjon og energiforsyning i systemet korresponderer med nabolagets energiforbruk, er kontrollstrategier implementert og validert. Det er videre gjennomført en litteraturstudie for å avdekke kunnskapsstatus på området, og blant annet er det gjort vurderinger av CCHP teknologier, CCHP applikasjoner og eksiterende dynamiske simuleringsverktøy. Ved å bruke TRNSYS som simuleringsverktøy, har den dynamiske ytelsen til CCHP systemet og implementerte kontrollstrategier og driftsstrategier blitt undersøkt. På grunn av manglende eksperimentelle data, er simuleringsmodellen validert basert på eksisterende matematiske referanser for de implementerte komponentmodellene.

Resultatene fra analysene viste at samlet elektrisitetsproduksjon fra vindenergi og solenergi er 18.7% høyere enn det totale årlige elektrisitetsbehovet for systemet og for el-spesifikt utstyr og belysning. Det er imidlertid betydelige variasjoner i behov og i produksjon av elektrisitet i løpet av døgnets timer. Når man tar høyde for disse svingningene, dekker vindenergi og solenergi 37.5% av det totale behovet. Følgelig må det anvendes en driftsstrategi der vindenergi og solenergi kombineres med bioenergi for å dekke det totale årlige elektrisitetsbehovet. I de timene av døgnet hvor elektrisitetsproduksjonen fra vindenergi og solenergi ikke er tilstrekkelig må altså en forbrenningsmotor, med biogass som drivstoff, anvendes. Andelen fornybar energi i det totale energiforbruket er dermed henholdsvis 30.0%, 7.5% og 62.5% for vindenergi, solenergi og bioenergi. Videre bekrefter beregninger også at den spesifikke biogass-komponenten har kapasitet til å dekke det samlede årlige energibehovet til forbrenningsmotoren. Beregninger viste at maksimal årlig produksjon av biogass fra denne komponenten er 58.7% høyere enn det årlige behovet til forbrenningsmotoren.

Analysen av månedlig varmebehov og varmeproduksjon fra de ulike systemkomponentene viste at produksjonen i systemet korresponderer med behovet knyttet til romoppvarming og varmtvann. Videre viste resultatene at månedlig varmeproduksjon fra hovedkomponentene i systemet er lavere enn produksjonen fra den antatte elektriske tilleggsvarmeren, som ideelt sett bare skal fungere som spisslast og dekke det ekstra oppvarmingsbehovet. Basert på dette funnet bør kapasiteten til hovedkomponentene økes.

På bakgrunn av resultatene konkluderes det med at det foreslåtte CCHP systemet er i stand til å dekke behovet for romoppvarming og romkjøling, varmtvann, og el-spesifikt utstyr og belysning, med fornybare energikilder. For at systemet skal være robust og dynamisk, må imidlertid spesifiserte kapasiteter for aktuelle hovedkomponenter og driftsstrategier forbedres og optimaliseres ytterlige.

Validering av implementerte kontrollstrategier bekrefter at energiproduksjonen i systemet korresponderer med spesifiserte lasteprofiler for henholdsvis romoppvarming og romkjøling, varmtvann, og el-spesifikt utstyr og belysning, for det aktuelle nabolaget.

Til slutt viste miljøanalysen at det foreslåtte CCHP systemet kan redusere årlig utslipp av CO2 med 88.0%, sammenlignet med ett konvensjonelt system basert på elektrisitet fra strømnettet.

There is a significant and growing concern associated with anthropogenic emission of greenhouse gasses (GHG), including CO2 emissions from fossil fuel-fired power plants and conventional heating plants. Sustainable energy production and utilization are essential for achieving energy and climate goals at all levels and for global sustainable development. One of the cutting-edge environmentally friendly energy solutions that could reduce the emission of GHG and mitigate climate challenges is the combined cooling, heating, and power (CCHP) systems.

This thesis aimed at investigating some of the research objectives in the ongoing ChiNoZEN project on low-carbon neighbourhoods and buildings, a collaboration between Chinese and Norwegian scientists. The assumed specific CCHP system configuration and case building are based on the Chinese project partners' idea.

In this thesis, the energy and environmental performance of a specific CCHP system developed under the framework of the ChiNoZEN project have been evaluated. The CCHP system is designed to provide energy for a low-carbon neighbourhood based on a multi-renewable energy supply. The system configuration is mainly consisting of a heat pump (air-to-water), a biogas internal combustion engine (ICE), photovoltaic thermal collectors (PV/T), a biomass fermenter, a heat storage tank, and two wind turbines. To ensure that the energy production and supply are matched with the specific demands, potential control strategies and operation strategies are implemented and validated. The state-of-the-art of key CCHP technologies, CCHP applications, and existing CCHP simulation tools have been reviewed. Using TRNSYS as the selected simulation tool, the dynamic performance of the CCHP system and implemented control strategies and operation strategies have been investigated. Due to the lack of suitable experimental data for the implemented specific component models, the simulation model is verified based on existing mathematical references.

The results showed that annual electricity production from wind energy and solar energy is 18.7% higher than the annual electricity demand. As a result of daily fluctuations in both energy demand and energy production, wind energy and solar energy are still only able to cover 37.5% of the annual electricity demand. Consequently, an operation strategy where biomass energy is combined with wind energy and solar energy is implemented. The biogas internal combustion engine (ICE) is assumed to cover the total hourly electricity demand when electricity production from wind energy and solar energy is insufficient. The renewable energy share in total energy consumption for wind energy, solar energy, and biomass energy is by this reason equal to 30.0%, 7.5%, and 62.5%, respectively. Furthermore, calculations confirmed that the fermenter has the capacity to cover the required annual biogas consumption. The calculations showed that the maximum annual produced biogas in the fermenter is 58.7% higher than the annual biogas consumption by the biogas internal combustion engine (ICE).

The seasonal heating mix distribution by technology showed that the heat production is in balance with the corresponding monthly demand/consumption. The results further showed that the seasonal heat production of the main heating components is lower than the assumed auxiliary heater. Measures such as increasing the assumed maximum capacity of the main heating components should be considered.

From the performed analysis, it is concluded that the CCHP system has the basic prerequisites to cover the space heating, space cooling, domestic hot water (DHW), and electricity-specific appliances demand, based on a multi-renewable energy supply. Nevertheless, for a robust and dynamic system, some of the system component capacities and the proposed operation strategy should be further improved and optimized.

The assumed control strategies regarding building load demands are validated by dynamic simulations. It was confirmed that the annual energy production and supply are in match with the specific demands.

Finally, the environmental benefits or impacts, if any, of the proposed CCHP system were assessed. The results showed that the proposed system could reduce the annual CO2 emissions by 88.0% compared to a conventional system entirely based on grid electricity.