Advanced Energy Solution in Single Family House

Abstract

Strømprisene har vist høye nivåer det siste året, og utnyttelsen av energi fremover vil fortsatt være diktert av strømprisene. For eneboliger er det største energiforbruket romoppvarming og varmtvannsproduksjon. Det er derfor aktuelt å utrede løsninger som møter oppvarmingskravet til boligen, men som har et lavere energiforbruk.

I jakten på miljøvennlig og kostnadseffektiv energiproduksjon presenterer denne masteroppgaven et avansert energisystem for familieboliger. Energiløsningen består av en bergvarmepumpe som bruker ammoniakk som kuldemedium, kombinert med akkumulatortank, solceller og batteri. Komponentene optimaliseres og simuleres for klimaforhold og strømpriser i Bergen, Oslo og Trondheim. Det er laget et dataprogram som optimaliserer driftsrutinen slik at oppvarmingskostnadene blir lavest mulig. Dette dataprogrammet bruker værmeldingen og morgendagens strømpriser for å etterstrebe høyest mulig besparelse. Til slutt er det gjort en økonomisk analyse for å avgjøre om løsningene bør investeres i eller ikke.

Ammoniakkvarmepumpen, akkumulatortanken og batteriet er designet basert på varmebehovet fra den kaldeste dagen i 2022. Varmebehovet beregnes med TEK17-forskriftene som anvendes på et 200 m2 familiehus. Trondheim hadde høyest varmebehov og Bergen lavest. Solcellepanelene har et areal på 90 m2.

Dataprogrammet optimaliserer driftsrutinen for å redusere driftskostnadene. Ulike driftsscenarier presenteres, og alle resulterte i økte besparelser sammenlignet med referansescenariet. Referansescenariet reduserer energikostnadene med 71% sammenlignet med ren elektrisk oppvarming, som følge av en COP på 3.5. Sammenlignet med referansen økte dataprogrammet besparelsen med 23% ved kun å bruke varmepumpen og akkumulatortanken. Ved å legge på solenergi er det mulig å spare i gjennomsnitt 19% mer og overflødig solenergi kan selges på markedet. Hvis et batteri implementeres, øker besparelsene i gjennomsnitt med 15.3% sammenlignet med scenariet med varmepumpe, akkumulatortank og solenergi. Totalt, ved å bruke dataprogrammet og alle komponentene, var den gjennomsnittlige besparelsen 49.4% sammenlignet med referansescenariet i Oslo. Dette er en total besparelse på 86% sammenlignet med ren elektrisk oppvarming.

I den økonomiske analysen kommer det fram at den mest lønnsomme løsningen er å implementere en bergvarmepumpe med akkumulatortank som drives av dataprogrammet. Resultatene fra de tre byene gir samme konklusjon. Investeringskostnaden for solcellepanelene og batteriet er for høy i forhold til besparelsene, og den mest lønnsomme investeringen er varmepumpe med akkumulatortank. Denne løsningen gir i Oslo en netto nåverdi på 188 941 kr etter 20 år.

Ved å benytte et avansert energisystem som presentert i denne masteroppgaven, reduseres oppvarmingskostnadene til eneboligen drastisk. Studien viser at det er muligheter for betydelige besparelser og effektivisering. Ved å bruke predikative data og ammoniakk som kuldemedium, er løsningen med varmepumpe med akkumulatortank både miljøvennlig og en god økonomisk investering.

The electricity prices have shown high levels in the past year and energy use will continue to be associated with the electricity prices. For family houses the main energy consumption is space heating and hot water production. Therefore it is relevant to investigate solutions for domestic heating with lower energy consumption.

In the pursuit of environmental friendly and cost effective energy production this Master's thesis presents an advanced energy system for family houses. The energy solution consists of a ground source heat pump using ammonia as a refrigerant, combined with an accumulator tank, solar cells and battery storage. The components are optimized and simulated for climate conditions and electricity prices in Bergen, Oslo and Trondheim. A computer program is created which optimizes the operation routine to get the lowest possible heating costs. This program uses the weather forecast and the day-ahead electricity prices from the web to pursuit the highest savings. Finally, an economic analysis investigate whether or not the solution should be invested.

The ammonia heat pump, accumulator tank and battery are designed based on heat demand for the coldest day of 2022. The heat demand is calculated with the TEK17 regulations applied on a 200 m2 family house. Trondheim had the highest heat demand and Bergen the lowest. The solar panels have an area of 90 m2.

The computer program optimizes the operation routine to reduce the operation costs. Different operation scenarios are presented, and all of them resulted in increased savings compared to the baseline scenario. The baseline scenario reduces the energy costs with 71% in comparison with pure electrical heating, due to the COP of 3.5. Compared to the baseline scenario the computer program increased the savings with 23% by only using the heat pump and the accumulator tank. By adding solar power it is possible to save on average 19% more and the excess solar power may be sold on the market. If a battery is implemented the savings on average increased with 15.3% compared to the scenario with heat pump, accumulator tank and solar power. In total, by utilizing the computer program and all the components the average savings were 49.4% compared to the baseline scenario in Oslo. This yields a total saving of 86% compared to pure electric heating.

In the economic analysis it is stated that the most profitable solution is to implement a ground source heat pump with an accumulator tank operated by the computer program. The investment cost of the solar panels and the battery are too high compared to the savings, and the most profitable investment is the heat pump with an accumulator tank. This solution in Oslo has a net present value of 188 941 NOK after 20 years.

By utilizing the advanced energy system presented in this Master's thesis the heating costs of the family house is drastically reduced. The study reveals the potential for substantial savings and efficiency improvements. By using predicative data and ammonia as a refrigerant, the heat pump with an accumulator tank is both environmental friendly and a good economical investment.