Värmesystem baserat på värmepump och solenergi med mål att vara självförsörjande

Abstract

Detta arbete behandlar möjligheterna att utnyttja solenergi för att minska på användningen av köpt energi vid uppvärmning av egnahemshus. Energimål är satta för framtiden men målen kan vara svåra att uppnå om inte satsningar görs på förnybar energi. I moderna egnahemshus med värmesystem baserade på värmepump så är behovet av köpt energi, för uppvärmningen, omkring en tredjedel av byggnadens energikrav. Detta innebär att behovet av köpt energi för uppvärmningen är betydligt lägre än tidigare och ökar eventuellt lönsamheten hos olika solenergiformer. Baserat på detta undersöks i detta arbete vilken typ av solenergisystem som kunde producera samma mängd energi som en värmepump årligen förbrukar för byggnadens uppvärmning. Först bestäms byggnadsuppgifterna så att det finns något att basera uträkningarna på. Byggnaden är fiktiv men har realistiska värden baserade på byggbestämmelserna från 2010, detta för att uträkningarna är tänkta att gälla byggnader i samma storlek byggda 2010 eller senare, med likadana eller bättre resultat än de som presenteras i detta arbete. Baserat på byggnadsuppgifterna undersöks det vilken typ av de vanliga värmepumparna som ger den största inbesparingen, varav det bästa realistiska alternativet används för den fortsatta undersökningen. De kompletterande solenergisystemen bestående av solpaneler, solfångare och vindmöllor beräknas sedan som tillägg till den valda värmepumpen. Värmepumparna är beräknade med dimensioneringsprogram för ändamålet och detsamma gäller solpanelerna och solfångarna. Vindkraften är i sin tur beräknad med en årsverkningsgrad på 15 % av den nominella effekten för att få så realistiska resultat som möjligt. Resultatet av undersökningen är att en jordvärmepump i samband med elproducerande solpaneler är den bästa lösningen då man önskar producera förnybar solenergi för uppvärmningssystemet i ett egnahemshus. Fastän solpanelernas verkningsgrad är sämre än hos solfångarna så är det större nytta med överloppsenergin som kan matas ut i elnätet och det bidrar delvis till detta resultat.

This thesis deals with the opportunities to make use of solar energy in order to decrease the use of purchased energy for heating of detached houses. Energy targets are set for the future but the targets can be hard to achieve if investments aren´t made in renewable energy sources. In modern houses, with heating systems based on heat pumps, the need of purchased energy is about a third of the energy requirement of the building. This means that the need of purchased energy is considerably smaller than before and will perhaps increase the profitability of different solar energy resources. Based on this the thesis will examine which type of solar energy resource that is capable of producing the same amount of energy as the heat pump consumes every year when heating the house. At first the properties of the building are defined so that there is something to base the calculations on. The building is fictional but holds realistic values based on building regulations from year 2010. This means the calculations are valid for buildings in the same size built year 2010 or later and will result in equal or better results than presented in this thesis. Based on the building properties the most economical and realistic alternative of common heat pumps is selected and will be used for the rest of the calculations. The solar energy systems consisting of solar panels, solar thermal collectors and wind power will then be calculated as additions to the selected heat pump. The heat pumps, solar panels and solar thermal collectors are calculated with software made for the purpose. The energy produced by wind power is in turn calculated with an average power of 15% of the nominal power in order to get as realistic results as possible. The results of study show that a ground heat pump in collaboration with solar panels is the best solution for producing renewable energy for the heating system in a detached house. Even if the efficiency of the solar panels is not as good as the efficiency of the solar thermal collectors, the excess energy can be used in the electric mains instead of going to waste and that is partly contributing to the result.

Tämä opinnäytetyö käsittelee aurinkoenergian käyttömahdollisuuksia ostetun energian vähentämiseksi omakotitalon lämmityksen yhteydessä. Tulevaisuuden energiatavoitteet on määritelty, mutta tavoitteita voi olla vaikea saavuttaa, jos uusiutuvaan energiaan ei panosteta. Moderneissa omakotitaloissa, joissa on lämpöpumppu, ostetun energian tarve on noin kolmasosa talon lämmitysenergiasta. Tämä tarkoittaa sitä, että ostetun energian tarve lämmitystä varten on paljon alhaisempi kuin aikaisemmin, mikä mahdollisesti lisää aurinkoenergialajien kannattavuutta. Tämän perusteella työssä tutkitaan, mikä aurinkoenergiajärjestelmä pystyy tuottamaan saman määrän energiaa kuin lämpöpumppu vuosittain kuluttaa talon lämmitykseen. Ensimmäiseksi rakennuksen ominaisuudet määritellään niin, että laskelmat perustuvat johonkin. Rakennus on fiktiivinen, mutta sillä on realistiset arvot vuonna 2010 laaditun rakentamismääräyskokoelman perusteella. Täten laskelmat koskevat vuonna 2010 tai myöhemmin rakennettuja samankokoisia rakennuksia ja laskelmien tulosten pitäisi näin ollen olla yhtä hyviä tai parempia kuin tässä työssä esitetyt. Rakennuksen ominaisuuksien perusteella tutkitaan minkälainen lämpöpumppu antaa parhaan vuotuisen säästön. Parasta ja realistisinta vaihtoehtoa käytetään tutkimuksen laskelmissa. Aurinkopaneeleista, aurinkokeräimestä ja tuulimyllystä koostuvia aurinkoenergiajärjestelmiä käytetään valitun lämpöpumpun lisänä. Lämpöpumput ovat tarkoituksenmukaisella mitoitusohjelmalla mitoitettuja, kuten myös aurinkopaneelit ja aurinkokeräimet. Tuulivoima on sen sijaan laskettu vuosittaisella keskiarvoteholla, joka on 15 % huipputehosta, jotta tulokset olisivat mahdollisimman realistisia. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että paras yhdistelmä uusiutuvan aurinkoenergian tuottamiseen omakotitalon lämmitystä varten olisi maalämpöpumppu ja aurinkopaneelit. Vaikka aurinkopaneelien hyötysuhde on huonompi kuin aurinkokeräimillä, voi ylimääräisen energian syöttää sähköverkkoon, kun aurinkokeräinten ylijäämäenergia usein menee hukkaan.