Analysis of ground-source heat pump and hybrid PVT for Norwegian conditions

Abstract

Form ̊alet med dette arbeidet har vært ̊a utføre en analyse av en grunnvarmepumpe med PVT-paneler i TRNSYS. Systemet skulle analyseres b ̊ade med tanke p ̊a en- ergieffektivitet, men ogs ̊a fra et økonomisk perspektiv, sammenlignet med en grun- nvarmepumpe med og uten solceller. Et relativt stort fokus har vært p ̊a den termiske oppførselen til energibrønnene. Tre simuleringsmodeller har blitt brukt: • Model 1: Grunnvarmepumpe • Model 2: Grunnvarmepumpe med PVT-paneler • Model 3: Solceller Modellene har blitt simulert med en rekke antall energibrønner og ulike arealer av PVT- og solcellepaneler. Effekten av ̊a redusere avstanden mellom brønnene fra 20 m til 10 m med PVT-paneler har blitt undersøkt, s ̊a vel som ̊a øke effektdeknings- graden til varmepumpen. I tillegg, har en økonomisk analyse blitt gjennomført for ̊a undersøke om et system med PVT og færre energibrønner er økonomisk levedyktig, sammenlignet med et borrefelt av tradisjonell størrelse. Resultatene viste at et underdimensjonert borrefelt fører til en raskere nedgang i b ̊ade gjennomsnittlig temperatur i brønnene og systemytelse over tid. ̊A introdusere PVT-paneler har vist ̊a øke ytelsen og gjennomsnittlig temperatur av brønnvæsken til varmepumpesystemet. En reduksjon p ̊a 4 brønner av systemet med PVT ble sam- menlignet med en tradisjonell grunnvarmepumpe. Resultatene var ikke i favør med ̊a redusere antall brønner ved bruk av PVT, da energisparingene ikke er tilstrekke- lig til ̊a dekke investeringskostnaden, sammenlignet med en enkeltst ̊aende grun- nvarmepumpe med flere borrehull. Den mest lovende løsningen basert p ̊a ytelsen, er en grunnvarmepumpe med et normalt antall energibrønner og PVT. Videre, viste ar- beidet at ̊a øke arealet med PVT-panel ikke minket tilleggsvarmen til romoppvarming markant, men det økte derimot gjennomsnittstemperaturen i borrehullene. I den økonomiske analysen ble alle tre systemene godkjent i henhold til inntjen- ingsmetodens kriterier, hvor grunnvarmepumpen hadde den korteste perioden. En vanlig dimensjonert grunnvarmepumpe med solceller hadde den laveste ̊arskostnaden, og vil være det mest ønskelige valget dersom tilgjenelig landomr ̊ade ikke er en be- grensning.

The objective of this work has been to perform an analysis of a GSHP with PVT in TRNSYS. The system was to be analyzed with regards to energy efficiency, but also from an economical perspective, compared to a GSHP with and without PV panels. A relatively large focus has been on the thermal behavior of the BHs. The three following simulation models have been used: • Model 1: GSHP • Model 2: GSHP with PVT • Model 3: PV The models have been simulated with a variation of number of BHs and areas of the PVT collector and the PV panels. The effect of reducing the BH spacing from 20 m to 10 m with PVT has been investigated, as well as the effect of increasing the power coverage of the GSHP. Lastly, an economical analysis has been performed to investigate if the system with PVT and less BHs is economically viable, compared to a conventionally sized BHE field. The results showed that an undersized BHE field will lead to a steeper decrease in both the temperature of the BHs and the system’s performance over the years. Introducing PVT has shown to increase the performance and the average brine tem- perature of the GSHP system. A reduction of 4 BHs in the system with PVT was compared to a normal sized GSHP system. The results did not favor reducing the number of BHs with PVT, as the energy savings were not sufficient enough to justify the investment cost, compared to a stand-alone GSHP with more BHs. The most promising option based on the performance is a traditionally sized BHE field with PVT. Further, the work showed that increasing the PVT area did not reduce the auxiliary heating for SH markedly, but it did increase the average temperature of the BHs. In the economical assessment, all three systems investigated were accepted according to the criteria of the pay-back period, with the GSHP having the shortest one. A traditionally sized GSHP with PV has shown to have the lowest annual total cost, and would be the desirable option if land area is not limited.