Model-based analysis of solar and heat pump systems for the energy supply of residential buildings

Abstract

The building sector has been identified as one of the key sectors to reduce CO2 emissions. A very promising concept for the efficient energy supply of residential buildings with high amounts of renewable energies in compliance with the EU Energy Performance of Buildings Directive is the combination of solar and heat pump systems. Due to the variety of possible system combinations and boundary conditions, the model-based analysis is a common method for comparison of different systems. The objective of this work is to close the gap of widely ranged and comparable studies with consideration of both thermal and electrical energy supply of buildings including energy storages by the systematic model-based analysis of different system concepts with regard to efficiency, environmental impact and economic aspects for different climates and types of single-family houses using the simulation environment TRNSYS. The results demonstrate that solar and heat pump systems, especially equipped with PV or PVT technologies and battery storages, are an efficient solution to achieve high CO2 emissions savings up to 71% in moderate climate and to fulfill the requirements of nearly zero energy buildings. In addition, the results point out the need for cost reductions and subsidies as well as carbon prices to enhance the economic efficiency of the systems. Furthermore, the developed model libraries will allow for further investigations by other works.

Der Gebäudesektor wurde als ein Schlüsselsektor zur Reduzierung von CO2-Emissionen identifiziert. Ein vielversprechendes Konzept für die effiziente Energieversorgung von Wohngebäuden mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien im Einklang mit der EU-Gebäuderichtlinie sind solare Wärmepumpensysteme. Aufgrund der Vielzahl möglicher Systemkombinationen und Randbedingungen ist die modellbasierte Analyse eine übliche Methode zum Vergleich verschiedener Systeme. Ziel dieser Arbeit ist es, die Lücke umfassender und vergleichbarer Studien unter Berücksichtigung der thermischen und elektrischen Energieversorgung von Gebäuden einschließlich Energiespeicher durch die systematische modellbasierte Analyse verschiedener Systemkonzepte hinsichtlich Effizienz, Umweltauswirkungen und ökonomischen Aspekten für unterschiedliche Klimazonen und Typen von Einfamilienhäusern unter Verwendung der Simulationsumgebung TRNSYS zu schließen. Die Ergebnisse zeigen, dass solare Wärmepumpensysteme, insbesondere ausgestattet mit PV- oder PVT-Technologien und Batteriespeichern, eine effiziente Lösung sind, um hohe CO2-Emissionseinsparungen von bis zu 71% in gemäßigtem Klima zu erzielen und die Anforderungen von Niedrigstenergiegebäuden zu erfüllen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse die Notwendigkeit von Kostensenkungen, Subventionen sowie CO2-Bepreisung, um die Wirtschaftlichkeit der Systeme zu steigern. Die entwickelten Modellbibliotheken werden zudem weitere Untersuchungen durch andere Arbeiten ermöglichen.