Model Development and Performance Analysis of an R290 Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump System using PVT.

Abstract

Når nye politisk styrende strategier for å stoppe økningen av globale utslipp utvikles og implementeres, får energibruk i bygningssektoren større fokus. Å utvikle og bruke grønne energiløsninger blir derfor i enda større grad viktig.

En ny innovativ hybrid solcelle- og solfangermodul (PVT) er under utvikling. Denne har en høyere produksjon av elektrisitet enn et vanlig solcellepanel. I tillegg omgjør den innstrålt solenergi til varmeenergi som videre kan utnyttes i en varmepumpe. Den produserte elektrisiteten kan brukes til å drive varmepumpa og løfte temperaturen på den absorberte varmen slik at den kan brukes til oppvarming i bygninger.

Denne masteroppgaven undersøker modellering og simulering av ei PVT-solassistert varmepumpe med arbeidsmediumet R290 (propan) til oppvarming av vann fra 7 °C til mellom 55 og 65 °C.

I den første delen av prosjektet ble energisystemet foreslått og en numerisk simuleringsmodell utviklet i MATLAB. Modellen er en numerisk transient termodynamisk simuleringsmodell med korte tidssteg på rundt ett minutt. Modellen kan brukes til å simulere hvordan den PVT-solassisterte varmepumpa opererer i et energiperspektiv med korte transiente oppløsninger som minutter, timer og dager. Den kan også brukes for lengre tidsperioder til evaluering og analyse av årlig energiytelse. Siden modellen simulerer den transiente ytelsen til systemet kan den også brukes til å designe en regulator og kontroll til kompressoren. Den andre delen av prosjektet er en mulighetsstudie der den solassisterte varmepumpa opererer i det kalde klimaet i Trondheim i Norge. Gjennomførbarhet med tanke på både energiytelse og økonomi ble undersøkt, og i tillegg ble påvirkningen fra forskjellige systemkonfigurasjoner evaluert.

Resultatene viser at den PVT solassisterte varmepumpa kan oppnå en COP på 2.8 på vinteren og 5.8 på sommeren når den varmer vann fra 7 °C til mellom 55 og 65 °C i Trondheim. Den presterer også bedre energimessig og fører til lavere netto levert elektrisitet enn tradisjonell luft-til-luft varmepumpe (21 %) eller elektrisk oppvarming (67 %). En konsekvens av dette er at energikostnaden gjennom året blir redusert. Selv om det krever en større investering for PVT solassistert varmepumpe sammenlignet med luft-til-luft varmepumpe eller elektrisk oppvarming, er den totale årlige kostnaden gjennom levetiden lavere.

For optimalisering og parametrisk analyse viser resultene at ved å øke PVT-arealet, øker både COP og varmekapasiteten til den PVT solassisterte varmepumpa litt. Ved bruk av en større kompressor for å øke varmekapasiteten til systemet blir COP betydelig redusert hvis ikke PVT-arealet også økes.

Som en ektra oppgave er det også laget forslag til et utkast for en vitenskapelig artikkel basert på hovedresultatene i arbeidet.

As new governing strategies to stop the increase of global emission is developed and implemented, reduction of energy consumption in the building sector receives more focus, and providing green solutions becomes of importance.

A novel Photovoltaic-thermal (PVT) module which may generate more electricity than a normal PV module and can also output thermal energy from the received solar radiation is under development. The power from PVT module can be used for driving heat pump to further lift the temperature of heat from PVT module and thus meet the regiments for comfortable heating.

This master thesis investigates the modelling and simulation of a single-source Direct Expansion Photovoltaic Solar Assisted Heat Pump (DX PVT-SAHP) system with a propane (R290) vapor-compression cycle heating water from 7 °C to between 55 and 65 °C.

In the first part of the work the energy system was proposed, and a numerical simulation model developed in MATLAB. The model is a numerical transient thermodynamic simulation model with small time-steps of around one minute. The model can be used to simulate the behaviour of PVT-SAHP systems with both transient hourly and daily resolution, as well as overall yearly performance evaluations. It can also be utilised in the development of a compressor controller for the system. Part two of the work is a case study for the system operating in Trondheim, Norway. Feasibility with regards to both energy performance and economy were investigated, and also influence of system configurations on the performance.

The results show that the PVT-SAHP can achieve a COP of 2.8 in the winter and 5.8 in the summer, heating water from 7 °C to 55-65 °C in Trondheim, Norway. It also achieves better annual energy performance and leads to lower building net annual electricity demand than a traditional air-source heat pump (ASHP) (21 %) or electric heating (67 %) system in Trondheim. As a consequence, annual energy costs are significantly reduced. The economic analysis shows that although with higher investment costs, the PVT-SAHP has a lifetime annual cost which is lower than for an ASHP and electric boiler.

System optimisation and parametric investigation results show that increasing the PVT area increases the COP and heating power of the PVT-SAHP slightly. Also, using a larger compressor to increase the heating power of the system significantly decreases the COP if PVT area is not increased accordingly.

As an additional task, a draft proposal for a scientific paper based on the main results is also included.