The combination of solar thermal and heat pump systems with ice storages, the so-called solar-ice systems, are becoming popular in Switzerland for the provision of space heating and domestic hot water. These systems can have a high efficiency, in the range of ground source heat pumps (GSHP) or higher, without being submitted to regulations of ground water protections. However, today's system cost are still higher than those from GSHP and research is needed to make solar-ice systems more efficient and cost competitive.

One approach to improve the efficiency and the investment cost of solar-ice systems is to optimize the heat exchanger area in the ice storage. Besides the aims of increasing the efficiency and reducing installation cost, an appropriate heat exchanger design can increase the ice fraction. The aim of the present project is to find suitable heat exchanger types and define the optimum heat exchanger area needed in the ice storage based on energetic and cost indicators.

This report is separated into six main chapters. Besides the first (Introduction) and the last (Conclusions) chapters, the report has four main chapters. Experimental results of different heat exchangers, i.e. capillary mats, at plates and coils are presented in chapter 2. The mathematical description of an ice storage model able to cope with all experimentally analyzed heat exchangers is presented in chapter 3. In chapter 4, results from the validation of the model using the experimental data from chapter 2 are shown. The optimum heat exchanger area for the most promising heat exchangers was evaluated from a system perspective in terms of energetic efficiency and heat generation cost. The energetic simulations of the complete solar-ice system with varying heat exchanger type and area for different collectors areas and storage volumes is presented in chapter 5. In the same chapter, the cost effective heat exchanger area was evaluated and compared with state of the art ground source heat pump systems.

The main conclusions of this project can be summarized as follows. Very high ice fraction can be reached with all heat exchangers and the casing did not show any damage under high ice fraction conditions. This means that designing an ice storage able to reach an ice fraction up to 95% or higher should be safe. Therefore, the size of the ice storage, and thus the cost of the system, have the potential to be reduced. From all the heat exchanger analyzed, the most promising designs for small ice storages (below 5 m³) are polypropylene capillary mats (CM) and at plates (PF) of stainless steel. From these two heat exchangers, capillary mats showed the best performance considering energetic and cost indicators. Solar-ice systems using ice storages volumes from 0.3 to 0.5 m³ per MWh of yearly heating demand, and selective uncovered collectors with 1.5 to 2.5 m²/MWh in the city of Zurich were able to achieve system performance factors SPF_SHP+ ranging from 3.5 to 6 with both CM and FP in a single family house with 10 MWh of yearly demand. Considering the cost of the system, only simulations with CM were able to achieve lower heat generation cost than that of the GSHP with higher SPF_SHP+ (an SPF_SHP+ of 4 was assumed for GSHP). For example, a system with a collector area of 1.5 m²/MWh and an ice storage volume of 5 m³/MWh, can reach heat generation cost of 29 Rp./kWh, 0.5 Rp./kWh below the GSHP reference cost, with an increase of SPF_SHP+ of 20 % respect to the GSHP system. However, there targets can only be achieved using CM and with the appropriate heat exchanger area. The optimal heat exchanger area was found to be around 5 to 6 m² per m³ of ice storage for CM and around 10 to 12 m²/m³ for FP. These heat exchanger ratios correspond to a distance between heat exchangers of around 12 - 17 cm for both CM and FP. These results were obtained assuming a conservative maximum ice fraction of 80 %.

Zusammenfassung

Die Kombination von solarthermischen Wärmepumpensystemen mit Eisspeichern, sogenannte solare Eisspeichersysteme, findet in der Schweiz immer mehr Beachtung. Diese Systeme können Raumwärme und Brauchwarmwasser mit vergleichbarer oder höherer Effizienz wie Erdsondenwärmepumpen zur Verfügung stellen. Allerdings sind die aktuellen Systemkosten im Vergleich nach wie vor höher, weshalb Forschungsund Entwicklungsarbeit nötig ist, um solare Eisspeichersysteme effizienter und wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen.

Ein Ansatzpunkt zur Steigerung der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit sind die im Eisspeicher verwendeten Wärmetauscher. Neben einer erhöhter Effizienz und günstigeren Beschaffungskosten kann ein gutes Wärmetauscherdesign auch den maximal möglichen Vereisungsgrad verbessern. Das Ziel des in diesem Bericht beschriebenen Projekts ist, geeignete Wärmetauschergeometrien und -materialien zu identifizieren und die optimale Wärmetauscherfläche in Abhängigkeit von energetischen und ökonomischen Zielfunktionen zu definieren.

Dieser Bericht ist in sechs Kapitel unterteilt. Das erste Kapitel gibt eine Einführung ins Thema. Die Schlussfolgerungen aus den Arbeiten sind im Kapitel 6 zusammengefasst. Die einzelnen Arbeitsschritte sind in den Kapiteln 2 bis 5 genauer beschrieben. Die experimentellen Resultate der untersuchten Wärmetauschertypen (Kapillarmatten, Wärmetauscherplatten und Wendelwärmetauscher) sind in Kapitel 2 aufgeführt. Das mathematische Modell, welches auf der Basis der Experimente entwickelt wurde, ist in Kapitel 3 beschrieben. In Kapitel 4 ist die Validierung des Modells mittels Daten aus den Labormessungen gegeben. Die Systemsimulationen des kompletten solaren Eisspeichersystems werden in Kapitel 5 präsentiert. Die optimale Wärmetauscherfläche wird dabei aus der Systemperspektive in Bezug auf Energieeffizienz und Wärmegestehungskosten bestimmt. Zusätzlich werden die erreichten Werte des Eisspeichersystems mit heutigen Erdsondensystemen verglichen.

Die Resultate des Projekts können folgendermassen zusammengefasst werden: Sehr hohe Vereisungsgrade wurden mit allen Wärmetauschertypen erreicht, wobei der Eisspeicherbehälter in keinem Experiment Schaden genommen hat. Daraus lässt sich schliessen, dass in einem geeigneten Behälter Vereisungsgrade von 95 % möglich sind, ohne dass Schäden zu erwarten sind. Der Verzicht auf nicht genutztes Eisspeichervolumen ist folglich eine Möglichkeit zur Kostenreduktion. Von den ausgemessenen Wärmetauschertypen zeigten Kapillarmatten und Wärmetauscherplatten aus Edelstahl die beste Performance für kleine Eisspeicher mit einem Volumen von unter 5 m³. Die besten Resultate betreffend Systemeffizienz und Kosten weissten dabei Kapillarmatten aus. Solare Eisspeichersysteme mit Eisspeichervolumina von 0.3 bis 5 m³ pro MWh jährlicher Wärmebedarf und unabgedeckte Kollektoren mit einer Gesamtfläche von 1.5 bis 2.5 m²/MWh zeigten in den Simulationen mit Kapillarmatten und Plattenwärmetauschern Systemjahresarbeitszahlen SPF_SHP+ von 3.5 bis 6. Die Resultate wurden für ein Einfamilienhaus mit 10 MWh jährlichem Wärmebedarf unter den klimatischen Bedingungen von Zürich generiert. Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit konnten lediglich mit Kapillarmatten Simulationsbedingungen gefunden werden, welche einen höheren SPF_SHP+ bei im Vergleich mit Erdsondensystemen geringeren Kosten ermöglichten. Beispielsweise hat ein System mit einer Kollektorfläche von 1.5 m²/MWh und einem Eisspeicher mit 5 m³/MWh Volumen Wärmegestehungskosten von 29 Rp./kWh. Dies ist 0.5 Rp./kWh günstiger als die Referenzkosten eines Erdsondensystems, wobei der SPF_SHP+ dabei um 20 % höher lag. Die optimale Wärmetauscherfläche liegt für Kapillarmatten generell bei 5-6 m² pro Kubikmeter Eisspeichervolumen und für Wärmetauscherplatten bei 10-12 m²/m³. Dies entspricht in beiden Fällen jeweils einer Distanz zwischen den einzelnen Wärmetauschern von 12 - 17 cm.

Résumé

Les systèmes composés de panneaux solaires thermiques et d'une pompe à chaleur avec stockage de glace, appelés systèmes solaire à accumulateur de glace deviennent de plus en plus populaires pour le stockage thermique aussi bien de chauffage que de l'eau chaude sanitaire en Suisse. Ces systèmes ont une efficacité élevée, similaire voir supérieure à celle obtenue à l'aide d'une pompe à chaleur (PAC) à sonde géothermique et cela sans être soumis à la réglementation de protection des eaux souterraines. Cependant, ce type de système demeure actuellement plus coûteux que les PAC à sonde géothermique un développement est encore nécessaire afin de rendre les systèmes solaire à accumulateur de glace plus efficaces et leurs prix plus compétitifs.

L'une des approches pour améliorer l'efficacité et diminuer le coût d'investissement est d'optimiser la surface de l'échangeur de chaleur dans l'accumulateur de glace. En plus des objectifs d'augmentation de l'efficacité ainsi que de réduction du coût d'installation, une conception d'échangeur de chaleur appropriée peut également permettre d'augmenter la fraction de glace. Le but de ce projet consiste à trouver des échangeurs appropriés et à définir la surface d'échange optimale nécessaire dans l'accumulateur de glace en se basant sur des indicateurs énergétiques et financiers.

Ce rapport est divisé en six chapitres. Outre le premier chapitre (introduction) et le dernier (conclusion), le rapport comporte quatre chapitres principaux. Les résultats expérimentaux de différents échangeurs de chaleur (tapis capillaires, plaques plates et bobines) sont présentés dans le chapitre 2. La description mathématique d'un modèle de stockage de glace capable de fonctionner avec tous les types d'échangeurs de chaleur analysés expérimentalement est présentée au chapitre 3. Dans le chapitre 4, les résultats de la validation du modèle utilisant les données expérimentales du chapitre 2 sont exposés. La surface d'échange de chaleur optimale des échangeurs de chaleur les plus prometteurs a été évaluée à partir des perspectives en termes d'efficacité énergétique et du coût de production de chaleur. Les simulations énergétiques du systèmes solaire à accumulateur de glace complet en fonction du type d'échangeur ainsi que de la surface d'échange pour différentes surface de collecteurs et différents volumes de stockage sont présentés au chapitre 5. Dans le même chapitre, un tel système a été évalué sur la base de l'échangeur le moins couteux et comparé à un système standard de PAC à sonde géothermique.

Les principales conclusions de ce projet peuvent se résumer comme suit : Une importante fraction de glace peut être atteinte avec tous les échangeurs et aucun dégât n'a été engendré à l'enveloppe de l'accumulateur par une fraction de glace importante. Cela signifie qu'un système d'accumulateur de glace à même d'atteindre une fraction de glace égale ou supérieure à 95% devrait être sécuritaire. Par conséquent, la taille du stockage de glace et donc les coûts liés peuvent être réduits. De tous les échangeurs de chaleur analysés, les conceptions les plus prometteuses pour de petits accumulateurs de glace (inférieurs à 5 m³) sont les tapis capillaires en polypropylène et les échangeurs à plaques en acier inoxydable. De ces deux échangeurs de chaleur, les tapis capillaires ont démontré les performances les plus élevées considérant les indicateurs énergétiques et de coût. Les systèmes solaire à accumulateur de glace utilisant des volumes de stockage de glace allant de 0.3 à 0.5 m³ par MWh de demande annuelle de chauffage et des collecteurs sélectifs non-couverts avec 1.5 à 2.5 m²/MWh dans la ville de Zürich ont pu atteindre des facteurs de performance SPF_SHP+ allant de 3.5 à 6 avec des échangeurs de type tapis capillaires ou échangeurs à plaques pour une maison familiale avec des besoins annuels de chauffage de 10 MWh. En tenant compte du coût du système, seules les simulations avec échangeurs de type tapis capillaires ont été capables de générer un coût de production de chaleur inférieur à une PAC à sonde géothermique avec un facteur de performance SPF_SHP+ plus élevé (un SPF_SHP+ de 4 a été considéré pour la PAC). Par exemple, un système avec une surface de collecteurs de 1.5 m²/MWh et un volume d'accumulateur de glace de 5 m³/MWh peut atteindre un coût de production de chaleur de 29 Rp./kWh, soit 0.5 Rp./kWh de moins que le prix de référence d'une PAC à sonde géothermique, avec une augmentation de 20% du facteur de performance SPF_SHP+ par rapport à un système de PAC à sonde géothermique. Cependant, ces objectifs ne peuvent être atteints qu'en utilisant des échangeurs de type tapis capillaires et une surface d'échange de chaleur appropriée. La surface d'échange de chaleur optimale est d'environ 5 à 6 m² par m³ de volume d'accumulateur de glace pour des échangeurs de type tapis capillaires tandis qu'elle est de 10 à 12 m² par m³ pour les échangeurs à plaques. Ces rapports correspondent à des distances entre les échangeurs de chaleur d'environ 12 - 17 cm pour des échangeurs de type tapis capillaires ou échangeurs à plaques. Ces résultats ont été obtenus en assumant une valeur de fraction de glace maximale conservative égale à 80%.