Contributions to building energy renovation: a compact heating and ventilation system, evaluation of a versatile energy auditing tool
Bearbeiter: Georgios Dermentzis
Betreuer: Wolfgang Feist
Abstract
The present thesis aims to contribute to the energy building renovation by presenting an innovative compact heating and ventilation system, and evaluating an easy to use calculation tool as an energy auditing tool. An air-to-air heat pump (micro-HP) combined with a heat recovery ventilation (HRV) unit was developed with the assistance of dynamic simulations and monitoring results. Passive House Planning Package (PHPP) was evaluated as an auditing tool by comparing to the dynamic simulation tools, TRNSYS and Matlab/Simulink.
Dynamic simulations of the micro-HP and the HRV were performed to investigate the energy performance and the feasibility of the system, and to support the design phase of the development. The simulation studies include a single-family house that was renovated according to Passive House or EnerPHit standards located in seven representative European locations. A comparison to other heat pump systems, such as exhaust ventilation with an exhaust air heat pump and ventilation radiators, showed that the micro-HP is the most efficient system when energy efficient building standards are applied (e.g. Passive House or EnerPHit). In addition, the use of a variable speed compressor is beneficial, increasing the energy performance by a maximum of 15%, and at the same time, it reduces the risk of having an improperly dimensioned system.
The micro-HP combined with HRV was integrated into a prefabricated timber façade, and a functional model was installed in a flat within the renovation of a multi-family house in Ludwigsburg, Germany. The system and the flat (before and after renovation) were monitored in detail. The seasonal performance factor (SPF) of the heating and ventilation system was 2.8 for a complete monitored heating season, and the SPF of the micro-HP alone was 2.5. Inside the flat, good thermal comfort conditions were observed and the indoor air quality was strongly improved after renovation.
The simulation models of the micro-HP and the flat (in which the micro-HP was installed) were evaluated using the monitoring data. Using these models, additional dynamic simulations were performed to further optimise the system using the monitoring data as boundary conditions. An optimisation potential was shown in the ventilators of the HRV unit, the capacity of the heat pump, and the control of the pre-heater (for the frost protection of the heat exchanger) and the defrost cycle, resulting altogether in a 25% electricity savings.
A monthly calculation tool, PHPP, was compared to a dynamic simulation tool, TRNSYS, aiming to be evaluated as an energy auditing tool. The comparison includes two building types (single- and multi-family house), three building energy levels (before the renovation and two renovation concepts) in seven representative European locations. The average deviation between the tools was 8% in heating demand and 16% in cooling demand (taking into account only the locations with relative cooling demand). Additionally, the heat pump algorithm in PHPP was compared to a dynamic simulation model in Matlab/Simulink resulting in an average deviation of 4%.
Moreover, four facts are described presenting why the so-called ‘performance gap’ is a misleading observation.
Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation trägt zur energetischen Gebäudesanierung bei. Eine innovative Heizungs- und Lüftungsanlage wird präsentiert und ein einfaches Berechnungstool als „Energie Audittool“ bewertet. Die Entwicklung einer Luft-Luft Wärmepumpe (mikro-WP) kombiniert mit mechanischer Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) wurde mit Hilfe dynamischer Simulationen und Analysen von Monitoringdaten unterstützt. Die Verwendung des Passivhaus Projektierungspakets (PHPP) als Audittool, wurde mit Hilfe der Simulationsprogramme TRNSYS und Matlab/Simulink evaluiert.
Dynamische Simulationen der mikro-WP wurden durchgeführt, um die Energieeffizienz des Systems zu untersuchen und die Entwicklung zu unterstützen. Die Simulationsstudien beziehen ein saniertes Einfamilienhaus im Passivhaus- oder EnerPHit-Standard ein, das an sieben repräsentativen europäischen Standorten simuliert wurde. Ein Vergleich mit anderen Wärmepumpenkonzepte, wie einem mechanischen Abluftsystem mit einer Abluftwärmepumpe und mit Konvektorheizungen, hat gezeigt, dass die mikro-WP das effizienteste System ist, wenn sehr hohe Gebäudestandards angewendet werden (z.B. Passivhaus oder EnerPHit). Außerdem zeigt sich, dass die Verwendung von einem geregelten Verdichter die Energieeffizienz des Systems um ca. 15% erhöht und gleichzeitig das Risiko einer falschen Dimensionierung verringert.
Ein funktionales Muster der mikro-WP mit WRG, integriert in einer vorgefertigten Holzfassade, wurde in einer Wohnung während der Sanierung eines Mehrfamilienhauses in Ludwigsburg (Deutschland) installiert. Dieses System und die zugehörige Wohnung wurden vor und nach der Sanierung im Detail vermessen und die Monitoringdaten analysiert. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Heizung und Lüftungsanlage für eine komplette Heizungsperiode lag bei 2,8 und die JAZ der mikro-WP allein ergab 2.5. Nach der Sanierung zeichnete sich die Wohnung mit guten thermischen Komfort und einer deutlich verbesserten Raumluftqualität aus.
Die Simulationsmodelle der mikro-WP und die durch die mikro-WP beheizte Wohnung wurden mit den Monitoringdaten verglichen. Anschließend wurden die evaluierten Modelle für dynamischen Simulationen verwendet, mit dem Ziel, das System weiter zu optimieren. Ein Optimierungspotenzial wurde in den Ventilatoren der WRG, in der Auslegungsleistung der Wärmepumpe und bei der Regelung des Abtauzyklus und des Vorheizregisters (für den Frostschutz des Wärmetauschers) gefunden. Durch Optimierung aller dieser Punkte kann eine gesamte Reduzierung des Stromverbrauchs von weiteren 25% erreicht werden.
Das monatliche Berechnungstool PHPP wurde mit dem dynamischen Simulationstool TRNSYS verglichen, mit dem Ziel PHPP als Energie Audittool zu bewerten. Der Vergleich enthält zwei Gebäudetypen (Ein- und Mehrfamilienhaus) und drei Gebäudeenergieniveaus (vor der Sanierung und zwei unterschidliche Sanierungskonzepte) an sieben repräsentativen europäischen Standorten. Eine gute Übereinstimmung wurde erzielt. Die durchschnittliche Abweichung beträgt 8% beim Heizbedarf und 16% beim Kühlbedarf (nur für die Standorte mit relevantem Kühlbedarf). Zusätzlich wurde der in PHPP entwickelte Wärmepumpen-Algorithmus mit einem dynamischen Simulationsmodell in Matlab/Simulink verglichen. Hier lag die durchschnittliche Abweichung um 4%.
Darüber hinaus werden vier Fakten diskutiert, wie der so genannte „performance gap“ in der Realität vermieden werden kann.