High efficiency ground source heat pump systems for sustainable building space conditioning

Abstract

This thesis assesses the benefits of using ground source heat pump systems for space conditioning in buildings, in an integrated perspective, in terms of potential impacts such as increasing energy efficiency, increasing the use of renewable energy resources and reducing carbon emissions, as well as their use as a flexible load with thermal storage for balancing demand and supply, namely for the integration of intermittent renewable generation in the context of smart grids. Part of these impacts were evaluated based on the experimental results obtained in the ground source heat pump system installed in a public service building in Coimbra, under the European Project Ground‐Med from the Seventh Research Framework Programme ‐ FP7. The high efficiency of an advanced ground source heat pump system, which integrates state of art components in an optimal manner, was assessed by calculating the seasonal performance factors based on the monitored data of the experimental ground source heat pump system. The results demonstrated the feasibility of high efficiency ground source heat pumps, reaching a seasonal performance of 5.4 for the heating season and 6.4 for the cooling season. A control system was developed to allow programing the daily operation period of the overall system in order to guarantee temperature comfort when users arrive and to implement load control strategies. By the tests performed during summer and winter, it was concluded that the control strategies of adjusting the set point temperature of the ground source heat pump and the velocities of the circulation pumps, are very important to improve the system efficiency, namely during lower thermal needs periods. The thermal response of the building was analyzed and the results showed that the building has a good thermal inertia that delays the building temperature variation, which allows the implementation of space heating load shifting strategies without creating major disturbances in the users thermal comfort. Load shifting strategies by preheating the building and avoiding peak periods, to take advantage from the lower electricity prices and to minimize or even to avoid the energy consumption during the peak periods, were applied. The results showed that applying these strategies, profiting from the thermal mass of the building, significant costs savings can be achieved (about 34%). Additionally, the impacts on the national electric diagram of applying the proposed load shifting strategies to other office buildings were also assessed, assuming that 25% of the total office buildings space heating load in Portugal can be controlled in a centralized way. It was concluded that preheating the buildings can contribute to a larger integration of the renewable electricity generation surplus. The implementation of Demand Response actions by switching off heating loads, during some periods of time, to compensate the variations and forecasting errors of wind ‐ vi ‐ power, was also evaluated with positive impacts. A fuel switching strategy for building space heating at the EU level, by a large scale penetration of high efficiency heat pumps in a scenario where natural gas boilers will be progressively phased out until 2050, was also proposed and assessed. It was found that in European Union in 2050, through the replacement of natural gas space heating by high efficiency heat pumps, around 60% of the primary energy required and 90% of the associated CO2 emissions can be saved. Other positive impacts were achieved concerning decreasing the European natural gas dependency and increasing the renewable energy sources share in the total final energy consumption. A similar scenario was developed for Portugal and large positive impacts were also achieved. In summary, high efficient heat pumps can have an important role towards exploiting the increasing penetration of renewable electricity generation, effectively contributing to the replacement of fossil fuels and to decrease the growing natural gas dependency of European Union from risky and unstable countries. Additionally, high efficient heat pumps, when combined with the building thermal storage capacity, can be used as a flexible load to balance supply and demand, employing load leveling and Demand Response strategies, and to significantly reduce operation costs at the consumer side.

Esta tese avalia de uma forma integrada os vários benefícios da utilização de bombas de calor geotérmicas na climatização de edifícios. Diversos impactes foram avaliados em termos do seu potencial para o aumento da eficiência energética e da utilização das energias renováveis, para a redução das emissões de CO2, bem como para a sua utilização como carga flexível, quando combinada com armazenamento de energia térmica, para melhorar o equilíbrio entre a oferta e a procura de energia, a partir da integração da geração intermitente de eletricidade renovável no contexto das redes inteligentes. Parte desses impactes foram avaliados com base nos resultados obtidos numa instalação experimental de uma bomba de calor geotérmica que foi instalada num edifício de serviços, em Coimbra, no âmbito do Projeto Europeu Ground‐Med do Sétimo Programa‐Quadro de Investigação (7ºPQ). A eficiência do sistema BCG, que integra componentes de última geração de uma forma otimizada, foi avaliada através do cálculo dos fatores de desempenho sazonal com base na monitorização dos dados do sistema BCG experimental instalado. Os resultados comprovam a alta eficiência destes sistemas BCG, atingindo um desempenho sazonal de 5.4 para a estação de aquecimento e de 6.4 para a de arrefecimento. Foi desenvolvido um sistema de controlo que permite programar o período de funcionamento diário, para garantir o conforto térmico à chegada dos utilizadores ao edifício e que permite implementar estratégias de gestão de carga. Os testes realizados nas estações de aquecimento e de arrefecimento permitem concluir que estratégias de ajuste da temperatura de funcionamento da bomba de calor e da variação de velocidade das suas bombas de circulação são fundamentais para a melhoria da eficiência do sistema, particularmente nos períodos de menor necessidade térmica. A resposta térmica do edifício foi analisada e os resultados evidenciam que o edifício tem uma boa inércia térmica, que atrasa a variação da temperatura interna em relação às condições ambientais, mesmo depois de desligado o sistema de climatização. Esta característica do edifício permite a implementação de estratégias de desvio de consumo associadas à sua climatização, sem perturbar significativamente o conforto térmico dos utilizadores. Para minimizar ou mesmo evitar o consumo de energia elétrica durante as horas de ponta do diagrama de carga elétrico, foram aplicadas estratégias de desvio de consumo, pré‐aquecendo o edifício ainda durante as horas de vazio para aproveitar os preços mais baixos da eletricidade. Os resultados mostraram que a aplicação destas estratégias, tirando partido da massa térmica do edifício, permite alcançar poupanças significativas (cerca de 34%). Adicionalmente foi analisado o impacte no diagrama elétrico nacional da aplicação destas ‐ viii ‐ estratégias de desvio de consumo ao nível dos edifícios de escritórios portugueses, assumindo que em 25% destes edifícios os sistemas de aquecimento podem ser controlados de forma centralizada. Concluiu‐se que o pré‐aquecimento destes edifícios pode contribuir para uma maior integração do excesso de eletricidade renovável produzida durante a noite. Foi também avaliada a implementação de medidas de resposta da procura, através do desligar das cargas de aquecimento, durante alguns períodos de tempo, para compensar as variações e erros de previsão da energia eólica, tendo‐se registado resultados positivos. Foi proposto e avaliado o potencial da substituição progressiva em larga escala de caldeiras a gás natural por bombas de calor na climatização de edifícios, num horizonte até 2050 a nível de toda a União Europeia. Verificou‐se que existe um potencial de poupança de energia primária de cerca de 60% e uma redução de cerca de 90% nas emissões de CO2 associadas. A aplicação desta medida contribui ainda para uma menor dependência do gás natural importado e para o aumento da contribuição das energias renováveis no consumo final de energia a nível da União Europeia. Foi aplicado um cenário similar para o caso particular de Portugal e também se obtiveram resultados muito positivos. Em resumo, as bombas de calor de alta eficiência podem ter um papel muito importante no aumento da penetração de energias de origem renovável, podendo ter um contribuindo efetivo na substituição dos combustíveis fosseis e na diminuição da importação do gás natural proveniente de países politicamente instáveis a nível da UE. Adicionalmente, as bombas de calor de alta eficiência, quando combinadas com a massa térmica de edifícios com elevada capacidade térmica, podem ser usadas como uma carga flexível na gestão do diagrama de carga elétrico, a partir de estratégias de gestão de cargas e de resposta da procura, e também para reduzir significativamente os custos de operação do aquecimento para o consumidor final.