The present project provides a technical and economic feasibility study of solar ice-slurry systems for the provision of SH and DHW in buildings. The competitiveness of such systems with respect to state-of-the art solar-ice systems (ice-on-hx) as well as respect to ground source heat pumps (GSHP), both in terms of electricity consumption and heat generation costs, is analysed by means of system simulations and lifetime cost calculations.

The analyses show that, considering all available slurry technologies and their current technological readiness level, the supercooling method is the most promising solution for solar-ice applications. Systems based on the supercooling approach show a high potential for cost reduction, while having a high energetic efficiency, especially for ice storage volumes of at least 1 m³ per MWh of yearly heating demand. For example, with a storage volume of 1.3 m³/MWh and uncovered selective collectors with an area of 1 m²/MWh, heat generation costs around 28 Rp./kWh can be achieved, i.e. 1.5 Rp./kWh below the costs of a GSHP system with an increase of the seasonal performance factor of 30 % (SPF_SHP+ =5.2). Comparing with ice-on-hx solutions, the ice slurry solution is likely to have a higher SPF_SHP+ together with lower investment and heat generation costs, if the ice storage volume is larger than that of the ice-on-hx case.

For single-family houses, the ice slurry concept can be a valid option, depending on the available space for installing an ice storage. Nevertheless, it is envisaged that the main potential use of the proposed method will be in multi-family or tertiary buildings, where space restrictions are less constringent.

Finally, in order to fully exploit the benefits of the supercooling ice slurry method, some technological barriers still need to be overcome. The most important challenge is to achieve a stable and sufficiently high supercooling degree, without crystallisation of the ice particles before entering the ice releaser or storage vessel.

Zusammenfassung

Mit der vorliegenden Studie wurden die technische Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit von solaren Eisbrei-Wärmepumpen-Heizungen untersucht, die zur Bereitstellung von Raumwärme undWarmwasser in Gebäuden eingesetzt werden sollen. Der Elektrizitätsbezug und die Wärmegestehungskosten wurden mit aktuellen Solar-Eis-Systemen (mit Eis-Anwachsen auf den Wärmetauschern: ice-on-hx) und mit aktuellen Erdsonden-Wärmepumpen unter Verwendung von Systemsimulationen und Kostenberechnungen über die Lebensdauer verglichen.

Der Vergleich verschiedener Eisbrei-Technologien bezüglich ihrer Eigenarten und ihrer technologischen Reife zeigt, dass die Extraktion von Latentwärme aus Wasser mittels Unterkühlung (supercooling) die grösste Aussicht auf eine erfolgreiche Umsetzung in Solar-Eis-Heizungen hat. Eisbrei-Systeme, die mit Unterkühlung von Wasser arbeiten, haben ein hohes Kosteneinsparpotential im Vergleich zu den anderen untersuchten Heizungsarten einerseits und andererseits eine hohe Effizienz bezüglich des Elektrizitätsverbrauchs. Dies gilt insbesondere für Eisspeichervolumina grösser 1 m³ pro MWh jährlichem Wärmebedarf. Beispielsweise resultieren mit einem Eisspeichervolumen von 1.3 m³/MWh und unverglasten selektiven Kollektoren mit einer Fläche von 1 m²/MWh Wärmegestehungskosten von rund 28 Rp./kWh, was rund 1.5 Rp./kWh unter den Gestehungskosten der simulierten Erdsondenheizung ist, bei einer gleichzeitigen Steigerung der Systemjahresarbeitszahl um 30 % (SPF_SHP+ =5.2). Der Vergleich mit gängigen ice-on-hx-Heizungen zeigt, dass die Eisbrei-Technologie zu einer Steigerung des SPF_SHP+ und zu geringeren Investitions- und Wärmegestehungskosten führen kann, wenn das Eisspeichervolumen grösser gewählt wird im Vergleich zum ice-on-coil-System.

Falls für die Installation eines Eisspeichers genügend Platz vorhanden ist, kann die Eisbrei-Technologie in Einfamilienhäusern gut eingesetzt werden. Das grösste Potential sehen die Autoren jedoch in Mehrfamilienhäusern und Gebäuden aus dem tertiären Sektor, in denen der Platz f ür die Installation eines grossen Eisspeichers mutmasslich leichter zur Verfügung gestellt werden kann.

Damit die Eisbrei-Erzeugung mittels Unterkühlung erfolgreich eingesetzt werden kann, müssen noch einige technologische Hürden genommen werden. Die grösste Herausforderung ist die Gewährleistung einer stabilen und ausreichend starken Unterkühlung, die verhindert, dass die Eispartikel vor dem Erreichen des Eiserzeugers oder des Eisspeichers entstehen.

Résumé

Dans le présent projet, une étude techno-économique de faisabilité à propos de systèmes solaires à coulis de glace pour le chauffage de bâtiments et la production d’eau chaude sanitaire (ECS) est proposée. La compétitivité de tels systèmes est analysée au moyen de simulations et de calculs de coûts d’utilisation sur la totalité de la durée de vie et comparée à celle de systèmes conventionnels à stockage de glace solaire (formation de glace sur leséchangeurs) ainsi que de pompes géothermiques.

Considérant l’ensemble des technologies de coulis de glace ainsi que leur maturité technologique actuelle, l’analyse montre que la méthode avec sur-refroidissement est la plus prometteuse en ce qui concerne les applications de type glace solaire. Les systèmes basés sur cette méthode du sousrefroidissement montrent un fort potentiel de réduction des coûts tout en garantissant un rendement énergétiqueélevé et ceci plus spécialement pour les systèmes ayant des volumes de stockage sous forme de glace supérieurs à 1 m³ par MWh de besoins de chauffage annuels. Par exemple, avec un volume de stockage de 1.3 m³/MWh et des capteurs sélectifs non vitrés ayant une surface de 1 m²/MWh, des coûts de production d’environ 28 Rp./kWh peuvent être atteints, ce qui correspond à 1.5 Rp./kWh de moins qu’un système de pompe géothermique et le facteur de performance annuel augmenté de 30 % (SPF_SHP+ =5.2). En comparaison des systèmes avec formation de glace sur les échangeurs, les systèmes à coulis de glace montrent vraisemblablement un SPF_SHP+ plusélevé ainsi que des coûts d’investissement et de génération de chaleur plus faibles à condition que le volume du stockage de glace soit plus grand de celui d’un système à stockage de glace conventionnel.

Selon l’espace disponible pour le stockage de glace, le concept à coulis de glace peut être une alternative intéressante pour les maisons individuelles. Néanmoins il est prévu que le système proposé soit potentiellement le plus utilisé dans l’habitat collectif et les bâtiments du tertiaire, où les restrictions en termes d’espace sont moins drastiques.

Enfin il reste nécessaire de surmonter certains verrous technologiques pour exploiter pleinement les bénéfices de la méthode du coulis de glace sur-refroidit, le challenge le plus importantétant d’atteindre un sur-refroidissement stable et suffisammentélevé sans qu’une cristallisation des particules de glace ne se produise avant l’entrée du générateur de glace ou du réservoir de stockage.