Comparison of solar thermal and photovoltaic assisted heat pumps for multi-family houses in Sweden

The building sector account for 40 % of the global energy demand, and an increasingly popular way to supply buildings with heat is through the use of heat pumps. Solar thermal (ST) can either be used as a low temperature energy source in the heat pump or to directly supply the building’s heating demand. The increasing market of PV has made it a favorite for roof-top solar installation. Its physical integration with buildings and HPs is simpler than that of ST and can supply any available electric load associated with the building and not just the HP system. It can also supply any excess power to the grid. In order to properly compare these two options, key performance indicators (KPIs) were identified for several system boundaries within the building and HP system. Technical KPIs used were seasonal performance factor (SPF), solar fraction (SF) and self-consumption (SC), while internal rate of return (IRR), net present value (NPV), profitability index (PI) and payback time was used to evaluate their economic performance. For the thesis a multi-family house was modelled in TRNSYS where different system sizes of either ST or PVs was simulated for a year with three-minute intervals. The ST was connected in a parallel configuration thereby supplying the building’s domestic hot water (DHW) through a separate storage tank. The modelled heat pump was a ground source heat pump (GSHP) which utilizes boreholes as the low temperature energy source. The SPF increased for both the ST and PV integration from the reference scenario (no PV/ST integration) but to a varying degree depending on the analyzed system boundary. The economic results suggested that PVs are the more financially sound option over ST for the simulated MFH. The sensitivity analysis also showed the large impact of economic assumptions on the expected profitability for both the PV and ST systems. Based on the results would the simulated MFH with an existing GSHP benefit more from installing PV instead of ST from both a technical, economic and environmental perspective. It is reasonable that PVs will most likely be an integral part for future buildings in Sweden with or without HPs because of its financial strength and versatility of demand supply, especially compared to ST.Byggsektorn står för 40% av det globala energibehovet, och ett alltmer populärt sätt att leverera värme till ett hus är genom användning av värmepumpar. Solvärmefångare kan antingen användas som en lågtemperaturenergikälla i värmepumpen eller för att direkt leverera byggnadens värmebehov. Den ökande marknaden för solceller har gjort den till en favorit för takmonterad solinstallation. Dess fysiska integration med byggnader är enklare än solvärmefångare och kan leverera el till hea byggnaden och inte bara värmepumpssystemet. Solceller kan också leverera till elnätet om produktionen överstiger byggnadens behov. För att korrekt jämföra dessa två alternativ identifierades viktiga indikatorer för flera systemgränser inom byggnaden och värmepumpssystemet. Tekniska indikatorer som användes var årsvärmefaktor, solfraktion och självförbrukning, medan internränta, nuvärde, lönsamhetsindex och återbetalningstid användes för att utvärdera deras ekonomiska resultat. För uppsatsen modellerades ett flerbostadshus med tillgänglig takyta i TRNSYS där olika systemstorlekar (i kvadratmeter) av antingen solvärmefångare eller solceller var simulerade i ett år med tre minuters intervall. Solvärmefångaren var ansluten i en parallell konfiguration med värmepumpen, varigenom byggnadens varmvatten levereras genom en separat lagertank. Den modellerade värmepumpen var en bergvärmepump som utnyttjar borrhål som lågtemperaturenergikälla. Årsvärmefaktorn ökade för både solvärmefångar- och solcells-integrationen från referensscenariot (ingen solteknisk-integration) men i varierande grad, beroende på den analyserade systemgränsen. De ekonomiska resultaten visade att solceller är det mer ekonomiskt sunda alternativet över solvärmefångare för det simulerade flerbostadshuset. Känslighetsanalysen visade också på den stora effekten av ekonomiska antaganden på den förväntade lönsamheten för både solceller och solvärmefångare. Baserat på resultaten skulle det simulerade flerbostadshuset med en befintlig bergvärmepump dra nytta av att installera solceller istället för solvärmefångare från ett tekniskt, ekonomiskt och miljömässigt perspektiv. Det är troligt att solceller kommer vara en del i framtida byggnader i Sverige med eller utan värmepumpar på grund av den ekonomiska styrkan och möjligheten att tillgodose både byggnaden och elnätet vid överproduktion