Simulation and analysis of load shifting and energy saving potential of CO2-based demand-controlled ventilation in a sports training center

This paper aims to evaluate and characterize the impact of optimizing the operation of the HVAC system through maintaining dynamic CO2-based Demand-Controlled ventilation (DCV) on the electricity load profile and energy consumption of the sports training center of Leibniz University Hannover. The actual ventilation control scheme, in which the operation of the HVAC system is operated with a two-stage volume flow controller based on indoor CO2 concentration is improved through two steps to avoid overventilation and reduce power consumption. For this purpose, a detailed multi-zone model of the sports center and energy supply system has been developed in TRNSYS. In the first step, a multi-stage control scenario is implemented considering the occupancy schedules and indoor CO2 concentration measurement data. In the second step, based on an indoor CO2 concentration model, a predictive control scenario is developed and applied. Aiming at characterizing the influence of these operation scenarios on the power consumption of the building, the annual electricity load profiles of the simulation cases will be analyzed and compared with the actual load profile of the building based on the technical planning documents and data provided by building management system (BMS). Simulation results show that utilizing predictive CO2-based DCV leads to a reduction of the peak load electricity by almost 2 kW and the base load by 5 kW as well as decreasing the annual energy consumption by 40 %

Simulationsbasierte Untersuchung und Analyse der Integration von Windenergie mit Wärmepumpe und thermischem Energiespeicher

Despite the fast-growing rate of the implementation of renewable energy technologies, high fluctuations of wind feed-in supply are currently seen as the main challenge facing further feeding of wind power to electricity grids and consequently increasing the renewable share of the energy market. Considering the fact that the utility network has no capability of storing excess power production, the unexpected increase of wind power supply mostly during off-peak hours, where the demand is lowest, might cause high rates of electricity surplus in the power network that if not controlled, would interrupt the grid stability leading to power outages and blackouts. Utilizing electricity for heating purposes through Power-to-Heat technologies is one of the most reliable solutions used to optimize management of renewable energies. Heat pumps or combined heat and power (CHP) systems compose the majority of the power to heat technologies that are used as alternatives for conventional heating systems such as boilers and can reduce the fossil fuel share in the heating sector significantly. Heat pumps operating under smart load control scenarios have demonstrated to be well suited for maintaining active load management to resolve the mismatch between supply and demand sides in the energy market. The aim of this PhD thesis is to evaluate the potential of load management with over dimensioning scenario for heat pump coupled with a thermal storage mechanism for integrating wind feed-in by taking the advantage of surplus electricity during off-peak hours. Based on the availability of wind power generation as well as standard electrical load profiles and heating load profiles of the buildings, a surplus load control scenario will be developed for the heat pump system that incorporates the flexible operating hours of the heat pump and charging/ discharging of the heat storage. The heat pumps operate in monovalent mode and supply domestic hot water and space heating demands of the multi-family residential building. The entire system is modeled and simulated in the simulation software Transient Simulation System (TRNSYS) where dynamic simulations are carried out for the heating season with different boundary conditions. Finally using simulation results, the adaptation rate of the wind feed-in will be characterized in correlation with dimensions of the components as well as heating demand of the building. Three types of heat pumps are investigated in this work: 1. Single-speed ground source (water-water) heat pump 2. Single-speed air source (air-water) heat pump and 3. Variable speed air-water heat pump. The synthetic heating load profiles of the buildings are calculated and implemented in the simulation model based on the test reference year of the city of Berlin and the VDI 4655 standard. In order to evaluate the load shifting and wind integration potential of the heat pump system two control scenarios are applied for the system and the results will be compared; 1. Base Load Scenario: where the electricity demand of the heat pump system is supplied by baseload (conventional) electricity and will be shut down maximum 3x2 hours on a daily basis, and 2. Surplus Scenario: where the heat pump system is operated based on the availability of wind electricity and the necessity of the heat supply. It is anticipated that over-dimensioning heat pump and thermal storage within the designed surplus control strategy will result in a considerable increase of the wind share of the power consumption whilst supplying the entire heating demand of the building.Aufgrund des zunehmenden Anteils von erneuerbaren Energien und da Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen fluktuierende Energiequellen sind, kommt es infolge der Einspeisung durch Windkraft und Photovoltaik zunehmend zu einer Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage im Stromnetz. Darüber hinaus stellen nur beschränkt regelbare fossile Kraftwerke und die begrenzte Netzkapazität die Stromnetzbetreiber vor eine große Herausforderung. Deswegen droht, wenn kein Ausgleich zwischen aktuellem Angebot und Nachfrage erzielt wird, eine Überlastung des Netzes und anschließend ein Stromausfall. Der Stromeinsatz zu Heizzwecken (Power-to-Heat), mittels Wärmepumpen oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen), ist eine effiziente Lösung für die Gebäudebeheizung. Er wird als wichtige Alternative zu konventionellen Heizsystemen wie Heizkesseln angesehen, um den Anteil fossiler Brennstoffe im Heizungssektor erheblich reduzieren zu können. Um die Integration von volatilen erneuerbaren Energien durch Wärmepumpen zu verbessern, ist eine geeignete Methode zur Dimensionierung von Wärmepumpe und Wärmespeicher im Zusammenhang mit der Windeinspeisung notwendig. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist zu bewerten inwiefern eine stromgeführte Dimensionierung von Wärmepumpen und Wärmespeichern zusammen mit einer Überschuss-Regelstrategie zur Netzintegration der Windeinspeisung wirksam sein kann. In dieser Arbeit wird zunächst eine Dimensionierungsstrategie von Wärmepumpen mit Wärmespeichern auf Basis der Verfügbarkeit der Windeinspeisung sowie der Standardlastprofile von Wohngebäuden entwickelt. Anschließend wird mittels Simulationen der Einfluss der Überdimensionierung der Wärmepumpen-Anlagen auf die Integration des Windüberschussstroms sowie Jahresarbeitszahl von verschiedenen Wärmepumpen mit Wärmespeichern untersucht. Es ist zu erwarten, dass durch die Realisierung dieses Dimensionierungskonzepts statt Konventionelle Methode, großen Anteil von Grundlast aus fossilen Kraftwerken durch Windstrom ersetzt wird, welche zur Netzstabilisierung führt. Drei Arten von Wärmepumpen wurden in dieser Arbeit untersucht: 1. Festdrehzahl/Fixed-speed (Einstufig) Sole-Wasser-Wärmepumpe 2. Festdrehzahl/Fixed-speed Luft-Wasser Wärmepumpe und 3. Leistungsgeregelte (mehrstufige) Luft-Wasser-Wärmepumpe. Die Wärmepumpen werden monovalent betrieben und stellen zusammen mit den Wärmespeichern den Wärmebedarf verschiedener Mehrfamilienhäuser zur Verfügung. Um die Wirkung dieses Lastmanagements sowie das Wind-Integrationspotential der Wärmepumpen-Anlage zu bewerten, wurden zwei Regelszenarien für die Wärmepumpen verwendet: 1. Grundlast/Base-Load-Szenario, wo die Wärmepumpe von Grundstrom versorgt und aufgrund von Sperrzeiten (Peak-Zeiten) maximal 3x2 Stunden pro Tag ausgeschaltet wurde. 2. Überschuss/Surplus-Szenario, wo die Wärmepumpe betrieben wird, wenn Windeinspeisung zur Verfügung steht, und eine Wärmeversorgung benötigt wird. Für die dynamischen Simulationen wurde die Software TRNSYS (Transient System Simulation Tool) genutzt. Drei Modelle wurden in TRNSYS eingesetzt und es wurden jeweils Simulationen für verschiedene Verbrauchs-Lastprofile für die Zeiträume Januar bis März sowie Oktober bis Dezember durchgeführt