This report describes the building of a computer model that makes it possible to simulate the thermal climate in a greenhouse. The computer model is built on the physical theory of heat exchange that occur in a greenhouse, such as radiation and convective heat exchange. The model also includes the heat storage that is active in a greenhouse. The computer model is used to simulate the thermal climate in a greenhouse under three periods, winter, spring and summer. It also investigates which effect a concrete wall has on the thermal climate in a greenhouse. The purpose of putting a concrete wall in the greenhouse model is to investigate the possibility to store heat during the day and then use this heat when the temperature drops during the night. The result from the simulations shows that a concrete wall levels the big difference in temperature that normally occurs under a day in a greenhouse. It also shows that heat is stored in the concrete wall and during the night the wall temperature is higher than both the outdoor temperature and the greenhouse temperature. This makes the wall a source of heat during this time. / Växthus är pga. sin utformning väldigt känsligt för klimatets påverkan. Detta resulterar i att klimatet i växthuset under soliga dagar kan uppnå väldigt höga temperaturer medans temperaturen under kalla dagar och nätter kan bli lika låg som den rådande utomhustemperaturen. Växthusets klimat blir därför väldigt extremt och temperatursvängningarna stora. Temperatursvängningarna beror till stor del på växthusets låga värmetröghet och genom att öka trögheten i en byggnad kan temperatur svängningar minskas och ett jämnare termisk klimat uppnås. En ökning av trögheten kan också bidra till att värme lagras under varmare perioder och på så sätt minska ett eventuellt uppvärmningsbehov under de kalla perioderna. För att undersöka tröghetens inverkan och möjligheterna till värmelagring hos ett växthus har detta examensarbete inriktats på uppbyggnaden av en datormodell som kan simulera ett växthus termiska förhållanden. Modellen har sedan använts för att undersöka hur en betongvägg påverkar det termiska klimatet i växthuset samt betongväggens förmåga att lagra värme. Datormodellen har byggts upp i MATLAB vilket gör det möjligt att med klimatdata från olika perioder simulera växthuset inre klimat. Datormodellen bygger på matematiska beräkningar som grundar sig på fysikaliska och termiska samband. Växthuset som undersöks i datormodellen bygger på ett växthus som är planerat att uppföras på trädgårdsanläggningen Wij trädgårdar i Ockelbo. Växthuset går under namnet Eldtemplet och ingår i projektet ”Ny energi i gamla landskap” som ska utforska möjligheterna till nya energikällor inom trädgårds- och odlingsverksamhet. Simuleringar har genomförts med klimatdata från ett dygn under tre olika årstider, vinter, vår och sommar. Resultatet från simuleringarna visar att temperaturerna i växthuset påverkas väldigt mycket av den infallande solstrålningen. Införandet av en betongvägg ökar växthusets tröghet och jämnar ut temperatursvängningarna i växthuset. Simuleringarna visar också att betongväggen får en värmelagrande förmåga och under vissa perioder kan tillföra växthuset värme under natten då temperaturen i växthuset sjunker. Genom resultatet kan slutsatsen dras att det finns åtgärder att ta till som kan förbättra växthusets termiska egenskaper väsentligt och göra växthus mer energieffektiva.

In order to increase the efficiency of an adsorption heat pump system, a stratified thermal heat storage can be used to enable regeneration of heat between the different phases of the process. It’s crucial to avoid mixing and to keep layers intact inside the storage tank. As mixing generally occurs during charging and discharging, the aim of this project is minimizing these effects by introducing porous media into the region of the inlet ports. The impact of porous media on laminar and turbulent flow inside stratified thermal storage tanks is qualitatively and quantitatively investigated. Two thermal storage tanks are examined in which polyurethane foam is used as porous medium. Numerical results are compared with experimental results in order to study the effects of the porous medium and validating numerical models. For the quantitative investigation, equations describing flow in porous media are obtained and implemented into computational fluid dynamics (CFD) models. Simulations of storage tanks are performed by means of 2D-axisymmetric domain models. Tanks are investigated qualitatively using two methods; background oriented schlieren (BOS) and ink colored inlet water, in order to visualize flow and mixing inside tanks. Thermo elements are also used to measure temperatures at given locations. Results from experimental- and numerical cases show how porous media influence stratification in a positive way. Flow visualizing experiments (using ink and BOS) showed decrease in thermocline thickness when using polyurethane foam. This could also be seen for the numerical cases. Experimental- and numerical investigations of the ability of porous media to damp turbulence intensity and kinetic energy, showed a positive effect. Further improvements have to be done, adjusting numerical models to experimental results. Comparison between the numerical- and experimental results showed differences both in flow fields and temperature distributions. Results indicate however, that porous media could play an increasing role in the development of stratified heat storages. / Stratifierade värmelagringstankar kan användas för att öka effektiviteten hos adsorptionsvärmepumpsprocesser genom att möjliggöra regeneration av värme mellan faserna. För att dessa effektivt ska kunna användas är det viktigt att temperaturskikt hålls intakta inuti lagringstankarna och att omröring undviks. Då omröring oftast uppstår vid laddning och tömning av lagringstankarna är målet för det här projektet att minska denna effekt genom att använda porösa medier vid deras inlopp. Porösa mediers inverkan på flöden och temperaturskikt inuti värmelagringstankar undersöks både kvalitativt och kvantitativt i det här projektet. Två tankar undersöks där polyuretanskum används som poröst medium. Numeriska resultat jämförs med experimentella för att undersöka effekterna av de porösa medierna, samt för att validera de numeriska modeller som används. Ekvationer som beskriver flödet genom porösa medier implementeras i CFD (computational fluid dynamics) modeller och lagringstankarna modelleras som 2D-axelsymmetriska domäner. Bakgrundsorienterad schlierenteknik (BOS) och färgning av inloppsvatten används för den kvalitativa undersökningen och termoelement används för att mäta temperaturer vid olika positioner. Numeriska och experimentella resultat visar hur porösa medier har en positiv inverkan på temperaturskiktningen. Resultat från experiment då BOS teknik och färgning av vatten används visar en minskning av det termoklina skiktets tjocklek med en ökad polyuretanskumtjocklek. Detta kunde också ses för de numeriska fallen. Numeriska och experimentella resultat visar även att porösa medier har en positiv inverkan på dämpningen av turbulens och kinetisk energi. Fortsatt arbete krävs för att anpassa numeriska modeller till experimentella data. Jämförelser mellan numeriska och experimentella resultat uppvisar skillnader både hos flödesfält samt hos temperaturfördelningar inuti tankarna. Resultaten visar dock att porösa medier skulle kunna spela en betydande roll för utvecklingen av stratifierade värmelagringstankar.

Idag står världen inför en rad olika miljörelaterade problem. Ett av dessa och det kanske mest omtalade är hur utsläpp av växthusgaser sakta men säkert höjer planetens medeltemperatur. Hållbar utveckling är ett begrepp som driver diskussionen framåt om vad vi behöver göra och hur vi behöver förändras för att lösa problemen. Växthusgaserna och deras hot mot klimatet är starkt relaterat till energi. Förnyelsebara energikällor skulle kunna vara en dellösning på problemet men de kräver energilagring av olika former för att kunna ersätta sina fossila konkurrenter. Termisk energilagring är ett sätt att lagra energi på och kan delas upp i tre olika grupper. Dessa är sensibel, latent och termokemisk värmelagring. Syftet med denna litteraturstudie var att kartlägga olika applikationer av latent värmelagring som kan bidra till ett mer hållbart samhälle i framtiden. Resultatet visar att det finns många olika typer av så kallade fasomvandlingsmaterial (PCMs). Beroende på vid vilka temperaturer värme ska lagras vid används olika PCMs. PCMs kan användas för latent värmelagring inom många olika områden. Byggnader är ett av dessa områden där PCMs kan användas för att kyla och värma utrymmen antingen genom integration i ventilationssystem eller i själva byggnadsmaterialen. Latent värmelagring kan också användas i termiska solkraftverk. Latent värmelagring har på senare tid fått stor uppmärksamhet tack vare PCMs förmåga att lagra värme i små volymer och under konstant temperatur. Dock möter tekniken problem vid värmeöverföringen vilket t.ex. är fallet i lagring av termisk solenergi. Forskning pågår därför för att generellt höja PCMs termiska egenskaper. Ett exempel på detta är Nano-PCM. Resultatet visar även att latent värmelagring idag används av företag som affärsidé för olika tillämpningar. Från resultatet går det att dra slutsatsen att latent värmelagring används idag men att det krävs ytterligare forskning för att tekniken ska kunna konkurrera med andra värmelagringsmetoder. / Today, the world faces a number of environmental-related problems. One of these and perhaps most discussed is how emissions of greenhouse gases slowly but surely raise the planet’s average temperature. Sustainable development is a concept that drives the discussion forward and tells us what we need to do and how we need to change to solve the problems. Greenhouse gases and their threats to the climate are strongly related to energy. Renewable sources of energy could be a partial solution to the problem, but they require energy storage of different forms to replace their fossil competitors. Thermal energy storage is a way of storing energy and can be divided into three different groups. These are sensible, latent and thermochemical heat storage. The purpose of this literature study was to map different applications of latent heat storage that can contribute to a more sustainable society in the future. The result shows that there are many different types of phase changing materials (PCMs). Depending on the temperature at which heat is to be stored, different PCMs are used. PCMs can be used for latent heat storage in many different areas. Buildings are one of these areas where PCMs can be used to cool and heat spaces either through integration into ventilation systems or in the building materials itself. Latent heat storage can also be used in thermal solar power plants. Latent heat storage has recently received great attention thanks to PCMs ability to store heat in small volumes and under constant temperature. However, the technology is experiencing problems in the heat transfer, such is the case in the storage of thermal solar energy. Research is therefore ongoing to generally increase PCMs thermal properties. An example of this is Nano-PCM. The result also shows that latent heat storage today is used by companies as a business concept for various applications. From the result, it can be concluded that latent heat storage is used today, but that further research is required for the technology to compete with other heat storage methods.

The aim of this study was to investigate the economic and energy-efficiency potentials for configuring thermal energy storage (TES) units in Swedish residential buildings. Consequently, the goal was to carry out economical and energy calculations over two applications of coupling two different types of heat pumps with a TES unit (water tank) for providing space heating in a detached single-family house in Stockholm, Sweden during winter time. The heating systems with the heat pumps and TES unit were modeled and simulated using the software MATLAB. Different criteria were applied to govern when the heat pumps would charge the TES unit, for example one criterion stated that the charging process would only occur if the electricity price was lower than a certain value. The results showed that there were savings both in terms of energy and economy for coupling a TES unit with a heat pump, for both types of heat pumps and regardless of criteria selection. The conclusions of the study is that there is potential for configuring TES units with heat pumps in detached single-family households in Sweden. However, since the models in this study included several simplifications, it is necessary to perform similar simulations with wider and more accurate models. / Energieffektivisering i byggnader är ett mycket aktuellt område i miljödiskussioner idag. Den totala energianvändningen i villor i Sverige 2014 motsvarade 31.2 TWh. Ett av forskningsområdena inom energieffektivisering i villor är värmelagringssystem (thermal energy storage systems, TES). Med TES kan man lagra energi och således uppstår möjligheten att frikoppla energianvändningen från energiproduktionen. Det finns olika typer av lagringsmetoder men denna rapport fokuserade på sensibel värmelagring i form av en tank, med vatten som lagringsmedium, kopplad till en värmepump. Syftet var att undersöka både ekonomisk- och energipotential för att konfigurera TES-enheter i fristående svenska villor. Således var målet att utföra beräkningar för ekonomiska- och energibesparingar för de två olika typer av värmepumpar kopplade med TES-enheten som tillgodoser värmebehovet för en fristående villa i Sverige under en vintervecka i februari. Värmebehovet för hushållet räknades fram timvis för den vecka som studerades. Utifrån detta behov bestämdes värmepumpens uteffekt per dag. För timmar där effekten producerad av värmepumpen översteg värmebehovet laddades TES-enheten för senare användning vid timmar med värmebehov som översteg effekten producerad av värmepumpen. TES-enheten som var en vattentank dimensionerades utefter det största värmebehovet under  veckan. De två värmesystemskonfigurationer presenterades som case A och B, där case A inkluderade en TES-enhet kopplad med en bergvärmepump med ett konstant COP-värde och case B en luftvattenvärmepump med ett varierande COP-värde kopplad med en TES-enhet. För att kunna utföra beräkningar användes datorprogrammet MATLAB, där olika kriterier styrde hur värmepumparna laddade TES-enheten. Båda casen undersöktes med och utan hänsyn till ett elektricitet-prisvariationskriterium samt ett COP-variationskriterium för case B. Resultatet indikerade att för ett värmesystem med en TES-enhet kopplad till en värmepump finns både ekonomisk-och energibesparing. Besparingarna varierade beroende på typ av värmepump och kriterier som togs till hänsyn. Men oavsett typen av värmesystem och kriterier fanns det besparingspotential. Slutsatserna är att det finns potential att implementera TES-enheter med värmepump i fristående svenska villor men att det behövs undersökningar med noggrannare modeller för att erhålla ett mer ackurat resultat. Detta då flera förenklingar och antaganden har gjorts i denna studie.

Fler och fler passivhus byggs i Sverige. Med välisolerade hus kan det dock uppkomma problem med höga inomhustemperaturer sommartid. Majoriteten av alla småhus som kan definieras som passivhus byggs idag med lätt stomme av trä. Detta gör att man går miste om den termiska energilagring som sker i en betongstomme. Termisk energilagring i byggnader är fördelaktigt och ger ofta upphov till jämnare inomhustemperaturer och ett lägre uppvärmningsbehov.Genom att montera vaxgranulatskivor på innerväggar och i tak kan även en lätt stomme få betongstommens goda termiska egenskaper. Skivorna kan enligt tillverkare minska uppvärmningsbehovet och ge behagligare inomhustemperaturer varma sommardagar. Detta sker genom latent värmelagring i det vaxgranulat som finns i skivan. Vaxgranulat är små kulor innehållande en sorts vax, paraffin. När paraffinet vid en viss temperatur smälter så tas värme ifrån inomhusluften. Det motsatta inträffar när temperaturen i rummet sjunker, paraffinet återgår då till fast form och värme frigörs till inomhusluften. Vid vilken temperatur paraffinet ändrar fas framgår av smältpunkten och anges av tillverkaren. Två sorter skivor med vaxgranulat har undersökts i arbetet. Båda tillverkas av tyska företaget Knauf och har fasändringstemperaturerna 23 °C respektive 26° C.Syftet med detta arbete var att undersöka skivornas termiska egenskaper. Dels hur de påverkar byggnadens uppvärmningsbehov och dels hur de påverkar förekomst av höga inomhustemperaturer. Detta utförs genom att granska tidigare studier i ämnet och att på egen hand utföra simuleringar i två energisimuleringsprogram. Programmen som används är EnergyPlus och DesignBuilder, där EnergyPlus är själva beräkningsprogrammet och DesignBuilder är en modul och grafiskt hjälpmedel som hanterar all indata. Olika konstruktioner med vaxgranulatskivor simulerades och jämfördes med en konstruktion utan vaxgranulatskivor. Resultatet från de egna simuleringarna, då vaxgranulatskivor användes, visade på en årlig energibesparing på 4-11 % med avseende på uppvärmning och en reducering av maximal inomhustemperatur sommartid på 1-3 °C. Mest effektiv var vaxgranulatskivor med fasändringstemperatur på 23° C när det kommer till att minska energibesparingen. I de fall då vi tittade på inomhustemperaturer visade sig istället att vaxgranulatskivor med fasändringstemperatur på 26° var mest effektiv.Skillnaden mellan att använda dubbla skivor jämfört med att bara enkla lager vaxgranulatskivor var i absoluta tal liten men märkbar. Vissa slutsatser går att dra genom att jämföra resultatet med tidigare studier, bland annat att temperaturen måste tillåtas pendla för att skivornas fasändringscykler ska fullbordas, vilket är väsentligt för att utnyttja den latent lagrade termiska energin i skivorna. / The majority of all passive houses in Sweden have a light frame construction. This means that you lose the thermal energy storage that takes place in heavy construction and there may be problems with exceeded temperatures. By mounting PCM (Phase Change Material) impregnated plasterboards on interior walls and ceilings, even a light construction will get good thermal properties. The boards are said to reduce heating demand and also provide a more comfortable indoor temperatures.PCM are small beads containing a kind of paraffin. When the paraffin at a certain temperature melts heat is taken from indoor air. The opposite occurs when the temperature in the room drops, paraffin returns to solid form and releases heat to the indoor air. Two different kinds of PCM plasterboards have been investigated in this work. Both manufactured by the German company Knauf and have a phase change temperature of 23 °C or 26 °C.The purpose of this work is to investigate the thermal properties of the plasterboards. This is accomplished by reviewing previous studies and preformed our own energy simulation. The programs used are Energy Plus and Design Builder, Energy Plus is the measurement program and the Design Builder is a module and graphical tool that handles all input data. Various constructions with PCM plasterboards will be simulated and compared with a construction without PCM plasterboards. The results from our own simulations showed an annual energy savings of 4-11 % and peak indoor temperatures can be reduces by 1-3 °C during five hot days in August. Most effective when it comes to reducing energy was PCM with a phase change temperature of 23 °C. For reducing high temperatures phase change temperature of 26 °C a better choice. The difference between using double boards compared to just one layer was small but noticeable. It was also found that the temperature must be allowed to fluctuate to complete the melting cycle.

Under uppvärmda byggnader med grundkonstruktionen betongplatta på mark sker ett värmeflöde ner i marken. Flödet kan liknas med bågformade pilar som strömmar från plattans mitt ut mot kanterna. Vid ökande plattstorlekar kommer värmeflödet från de centrala delarna att hindras på grund av markens ökande värmemotstånd. Värmen lagras då och en temperaturökning sker i marken. Om plattan är tillräckligt stor kommer temperaturen i marken stiga till den grad att risk för skadlig fuktdiffusion uppstår. Drivkraften för fuktflödet är skillnaden i ånghalter mellan den fuktiga marken och den torrare inomhusluften. Om en tät golvbeläggning appliceras på betongen finns det risk att fukten stängs in och leder till problem. De flesta golvbeläggningar har en kritisk relativ ånghalt att förhålla sig till innan golvet tar skada och beror på temperaturskillnaden över konstruktionen. En högsta tillåten relativ ånghalt på 85% under golvbeläggningen motsvarar med förenklingar en temperaturskillnad på 3°C. Avståndet från ytterkanten av plattan där marken uppnår en temperatur som skiljer sig 3°C eller mindre från inomhustemperaturen benämns som kritiska gränsen där skadlig fuktdiffusion kan uppstå. Genom att undvika en hög marktemperatur går det att skydda konstruktionen från fuktproblem. Hur temperaturfördelningen i marken under plattan påverkas vid succesivt ökande plattstorlekar undersöktes både stationärt och dynamiskt med handberäkningar och simuleringar. Plattorna simulerades för Malmö, Gävle och Kiruna. Resultaten visar hur isoleringsmängden tycks ha störst betydelse för temperaturfördelningen. Exempelvis för en plattkonstruktion med 300 mm underliggande isolering i Malmö visade det sig att risken för fuktproblem uppkommer först vid plattbredder på 90 meter, medan det med 100 mm isolering uppstår problem redan vid 40 meter eller större. En större mängd isolering kan alltså fungera som fullgott fuktskydd även för stora plattstorlekar. Temperaturvariationerna i utomhusluften över året leder till svängningar i temperaturen i marken under plattans yttre delar med ett inträningsdjup på cirka 10 meter. Årsvariationernas inverkan på marktemperaturen visade sig inte leda till tillräckligt höga temperaturer för att fuktproblem skulle uppstå i någon av plattorna i de undersökta städerna. / Underneath heated buildings with the foundation structure of a concrete slab on the ground, heat flows into the ground. The flow can be visualized as arc-shaped arrows that move from the center of the slab out towards the edges. With increasing slab sizes, the heat flow from the central parts will be reduced due to the increasing heat resistance of the soil. This will lead to a thermal build up in the ground under the slab with increasing temperature as a result. If the slab is large enough, the temperature in the ground will rise to the point where there is a risk of harmful moisture diffusion. The moisture flow is driven by the difference in the vapour content between the moist soil and the drier indoor air. If a non-permeable floor covering is applied to the concrete, there is a risk that the moisture will be trapped and lead to problems. Most floor coverings have a critical relative humidity that will lead to damage. It depends on the temperature difference through the structure. A maximum permissible relative humidity content of 85% under the floor covering corresponds to a temperature difference of 3°C. The distance from the outer edge of the slab where the ground reaches a temperature that differs 3°C or less from the indoor temperature is referred to as the critical limit at which harmful moisture diffusion can occur. By avoiding a high ground temperature, it is possible to protect the structure from moisture problems. How the temperature distribution in the ground under the slab is affected by successively increasing slab sizes is investigated both stationarily and dynamically with hand calculations and simulations. The slabs were simulated for Malmö, Gävle and Kiruna. The results show how the amount of insulation seems to have the greatest impact on the temperature distribution. For example, a slab structure with 300 mm underlying insulation in Malmö shows that the risk of moisture problems arises at slab widths over 90 meters, while with 100 mm insulation, problems already arise at 40 meters or larger. A thick layer of insulation can thus function as adequate moisture protection even on larger slabs. The temperature variations in the outdoor air over the year lead to fluctuations in the temperature of the ground under the outer parts of the slab with a penetration depth of about 10 meters. The impact of the annual variations in the soil temperature did not turn out to lead to sufficiently high temperatures for moisture problems to occur in any of the slabs in the investigated cities.

District heating is today the most common way of providing a building with heat and hot water in Sweden. It is an environmentally friendly product mostly used with renewable fuel. However, at power peaks most companies use production units that are more expensive and worse for the environment and should therefore be avoided as much as possible. This can be done with a method called load management. When a power peak occurs, the heat supply to buildings connected to the district heating system can be temporarily reduced. The heat energy can later be returned when the heat demand is lower. Thanks to the heat inertia of the buildings, the indoor temperature will not fall within the time frame for the load management. Historical data has been analysed to identify when and why power peaks occur in the district heating network. Power peaks throughout the district heating network have proved difficult to identify. However, for individual consumers clear patterns of power peaks have emerged. These power peaks mainly occur because of large use of hot water but also because of the shifting outdoor temperature. In order to see how the production cost would differ from the actual outcome load management was applied for Gävle's district heating 2018. The load management was calculated manually by identifying the most expensive production unit on an hourly basis. If a cheaper production unit had the potential to deliver higher power the next hour, the production was moved to the cheaper production unit. The process was repeated for each hour during 2018. After carrying out load management for Gävle's district heating network, 1 457 MWh had been shifted to a cheaper production unit. This resulted in a financial saving of 1,0 % of the total production cost. The environmental savings showed a reduction from 6.1 to 5.9 g CO2eq /kWh a total of 197 tonne CO2eq. In the exact same way, a load management was performed for a scenario where Gävle and Sandviken's district heating network were connected. The gain for a load management with Sandviken will be considerably larger, a reduced production cost of 3.6 % is possible. The environmental savings showed a reduction from 8.4 to 7.8 CO2eq /kWh a total of 575 tonne CO2eq. For future efficient load management, buildings should be divided into different classes depending on the building's time constant. User patterns for the entire district heating network have proved difficult to detect. Artificial intelligence can be an option for short-term forecasting of the power output / Fjärrvärme är idag det vanligaste sättet att förse en bostad med värme och tappvarmvatten i Sverige. Fjärrvärmen är ofta en miljövänlig produkt som kan produceras av till exempel biobränsle- och avfallseldade kraftvärmeverk eller spillvärme från industrier. Vid tillfälligt högt effektbehov, effekttoppar, använder sig merparten av bolagen av dyrare produktionsenheter med större miljöpåverkan. Dyrare produktionsenheter bör undvikas i största möjliga mån och i detta syfte används metoden laststyrning. Vid en effekttopp kan värmetillförseln till byggnader sänkas temporärt för att återföras några timmar senare när effektbehovet är lägre. Tack vare värmetrögheten i byggnaderna bör inomhustemperaturen inte sjunka inom tidsramen för laststyrning. Statistik från Gävles fjärrvärmanvändning på timbasis under 2018 har analyserats för att identifiera när och varför effekttoppar sker. Effekttoppar i hela fjärrvärmenätet har visat sig svåra att identifiera. På lokal nivå har däremot tydliga mönster för effekttoppar framkommit. Dessa effekttoppar beror till största del av tappvarmvattenanvändning men även förändringar i utomhustemperaturen. För att se hur produktion och last kunde skiljt sig från det verkliga utfallet tillämpades laststyrning för Gävles fjärrvärmeproduktion 2018. Laststyrningen beräknades manuellt genom att den dyraste produktionsenheten identifierades på timbasis. Om en billigare produktionsenhet hade potential att leverera högre effekt nästkommande timmar försköts produktionen. Därefter upprepades processen för varje timme under 2018. Efter utförd laststyrning för Gävles fjärrvärmenät hade ca 1 457 MWh förskjutits till en billigare produktionsenhet. Det gav en ekonomisk besparing på 1,0 % av Gävles totala produktionskostnad. Den miljömässiga besparingen visade på en sänkning från 6,1 till 5,9 [g CO2ekv /kWh] sammanlagt 197 ton CO2ekv. På samma sätt utfördes en laststyrning för ett scenario där Gävle och Sandvikens fjärrvärmenät sammankopplats. Vinsten för en laststyrning med Sandviken blev betydligt större med en minskad produktionskostnaden på 3,6 %. Den miljömässiga påverkan sjönk från 8,4 till 7,8 g CO2ekv /kWh sammanlagt 575 ton CO2ekv. För en framtida effektiv laststyrning bör byggnader delas in i olika klasser beroende på byggnadens tidskonstant. Användarmönster för hela fjärrvärmenätet har visat sig svårt att identifiera. Artificiell intelligens kan vara ett alternativ i framtiden för att prognostisera effektuttaget

In the fall of 2019, a comprehensive idea study was conducted on heat storage in two rock caverns located at Näsudden in Skelleftehamn and was part of the project course "Energiteknik, huvudkurs" at Luleå University of Technology. This idea study investigated the conditions of using waste heat from Boliden AB:s copper smeltery (Rönnskär) and storing this waste heat in two rock caverns and use them as seasonal thermal storage tanks, with the purpose of using the heat in the nearby district heating network, thus replacing some of the oil burned at Rönnskär. To investigate this, the authors of the idea study looked at two different storage cycles of seasonal storage and modeled this in ANSYS Fluent to simulate the heat storage and the heat losses. The results from this idea study showed promising results for using these caverns as heat storage and this work is therefore a continuation of the idea study. Since the study provided a good understanding of the conditions for seasonal storage, some questions arose about how the rock caverns will behave during an intermittent operation, which is the planned mode of operating the caverns in case of deployment. In this thesis, intermittent operation of these caverns are explored and how this effects the temperature in the caverns and its surrondings, the charge/discharge speed, how insulated walls affect the operation and how much oil is replaced. At the beginning of this project a review of the idea study and similar projects was done to gain deeper knowledge about the subject, but also to get a wider grasp on the different problems that could arise during the thesis. Relevant data for the caverns was collected and acquired to get a deeper understanding of its geometry, layout and what kind of modifications are really possible. Further data from the district heating networks of Boliden AB and Skellefteå Kraft was acquired. The available waste heat from Rönnskär was examined and used to calculate the chargeable energy by hour for the caverns, with the limits of Skelleftehamn district heating network in mind. By examining the different steam boiler patterns, the discharge pattern could be calculated. Using CFD, the unknown global heat transfer coefficient between the cavern water and the cavern wall can be determined. This data was then used with a set of differential equations to model the behavior of the caverns in Simulink. This allowed to determine the behavior for the caverns during normal operation, such as how the heat losses evolve, how the temperatures fluctuate, how much heat the caverns can be charged with and how much they can discharge. The results from the simulations showed that the caverns discharge a higher amount of energy when operating intermittently than when operating seasonally. Depending on how the caverns are utilized, different amounts of discharged energy are obtained. This range from 2224,7MWh to 7846,1MWh for the different discharging patterns. The usage also affects the efficiency of the cavern giving the efficiency a range between 19% to 53,9%. The heat losses range from around 20kW to 1000kW, depending on operation. Insulating the cavern walls reduces on average the heat losses by a factor of 5. Operating the caverns intermittently would on average remove a total of 29 ktonne CO2 and 88,74 tonne NOx for its expected lifespan of 30 years. Economically, the rock caverns have good economic potential as they would save about 80 million SEK during their lifetime just from buying less oil. / Hösten 2019 genomfördes en omfattande idéstudie om värmelagring i två bergrum vid Näsudden i Skelleftehamn och var en del av projektkursen "\textit {Energiteknik, huvudkurs}" vid Luleå tekniska universitet. Denna idéstudie undersökte villkoren för att använda spillvärme från Boliden AB:s kopparsmältverk (Rönnskär) och lagra denna värme i bergrummen och använda dem som säsongslagrade ackumulatortankar. Syftet med detta var att använda värmen i det närliggande fjärrvärmenätverket och därmed ersätta en del av den förbrända oljan hos Rönnskär. Författarna utforskade detta genom att undersöka två olika lagringscykler för säsongslagring och modellerade detta i ANSYS Fluent för att simulera värmelagring och värmeförluster. Resultaten från idéstudien visade lovande resultat för säsongsbaserad värmelagring i dessa bergrum och detta arbete är därför en fortsättning av idéstudien. Eftersom studien gav en god förståelse för förhållandena för säsongslagring, uppstod några frågor om hur bergrummen kommer att bete sig under en intermittent drift, vilket är den planerade driften av bergrummen vid en framtida användning. I detta projekt undersöks intermittent drift av dessa bergrum och hur detta påverkar temperaturen i bergrummen och dess omgivning, laddnings- / urladdningshastigheten, hur isolerade väggar påverkar driften och hur oljeförbrukningen reduceras. I början av detta projekt gjordes en genomgång av idéstudien och liknande projekt för att få djupare kunskap om ämnet, men också för att få ett bredare grepp om de olika problem som kan uppstå under arbetets gång. Relevant data för bergrummen samlades in och anskaffades för att få en djupare förståelse för dess geometri, layout och vilken typ av ändringar som verkligen är möjliga. Ytterligare data från fjärrvärmenätverket för Boliden AB och Skellefteå Kraft förvärvades. Den tillgängliga spillvärme från Rönnskär undersöktes och användes för att beräkna den urladdningsbara energin per timme för bergrummen, med begränsningarna i Skelleftehamns fjärrvärmenät i åtanke. Genom att undersöka de olika ångpannmönstren kan urladdningsmönstret beräknas. Med hjälp av CFD kan den okända globala värmeöverföringskoefficienten mellan bergrumsvattnet och bergväggen bestämmas. Denna data användes sedan med en uppsättning differentialekvationer för att modellera driften av bergrummen i Simulink. Detta gjorde det möjligt att bestämma beteendet för bergrummen under normal drift, till exempel hur värmeförlusterna utvecklas, hur temperaturen fluktuerar, hur mycket värme bergrummen kan laddas med och hur mycket de kan ladda ur. Resultaten från simuleringarna visade att bergrummen kan ladda ur en större mängd energi än vid en säsongsbetonad drift. Beroende på hur grottorna utnyttjas erhålls olika mängder urladdad energi. Detta sträcker sig från 2224,7MWh till 7846,1MWh för de olika urladdningsmönstren. Användningen påverkar också grottans effektivitet vilket ger en effektivitet mellan 19% och 53,9%. Värmeförlusterna sträcker sig från cirka 1000 kW till 20kw, beroende på drift. Isolering av bergväggarna minskar i genomsnitt värmeförlusten med en faktor 5. Att använda grottorna intermittent skulle i genomsnitt ersätta totalt 29 kton CO2 och 88,74 ton NOx för den förväntade livslängden på 30 år. Bergrummen har även god ekonomisk potential eftersom de skulle spara cirka 80 miljoner SEK under sin livstid bara från minskade oljekostnader.

One of the most crucial issues nowadays is the protection of the environment and the replacement of fossil fuels, which are abundantly used around the world, with more efficient and renewable sources. The highest portion of global energy demands today is used in heating and cooling purposes. One way of alleviating the fossil-based thermal energy uses is to harvest excess thermal energy using thermochemical storage materials (TCMs) for use at heating/cooling demands at different times and locations. Along this, in this master’s thesis, a bench-scale thermochemical heat storage (TCS) system is numerically designed, as a part of a collaborative project: Neutrons for Heat Storage (NHS), funded by Nordforsk. The TCS system that is designed herein employs the reversible chemical reaction of ammonia with a metal halide (MeX) for a heat storage capacity of 0.5 kWh, respectively releasing and storing heat during absorption and desorption of ammonia into and from the MeX. This system is designed for low temperature heat applications, around 40-80 °C. SrCl2 is chosen as the metal halide to be used, based on the research outcomes in determining the most suitable materials conducted by NHS project partners. In the ammonia-SrCl2 system, only the absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3 are considered. The main reason is because absorption/desorption between the last ammine and SrCl2 undergoes at a significantly higher/lower reaction pressure (for a given temperature), with a significant volume change compared to the rest of the ammines, and therefore is practically less cost effective. This thesis also includes a detailed discussion of four different thermochemical storage designs from literature, found as the most relevant to the present TCS system study, which use the reaction between ammonia and metal halides. The first system that was examined is a TCS system built by the NHS project partners at Technical University of Denmark (DTU), owing to its similarities with the desired project, regarding the design and parameters the system uses. This system works in batch mode, only allowing either absorption (i.e. heat release) or desorption (i.e. heat storage) at a given cycle. Thus, upgrading the design of this TCS system at DTU is considered as a most-likely solution to the research objectives of this current thesis project. Moreover, the TCS system at DTU uses storage conditions and desorption temperature similar to the current project’s desired low temperature range of 40-80 °C. The second system discussed herein from literature uses two reactors for cold and heat generation, which means that both charging and discharging processes occur simultaneously. This simultaneous operability is the main reason that this particular system was examined in this thesis. The next discussed system from literature also uses two reactors, for absorption and desorption processes, which work reversibly when each process is completed, like in the desired concept of this project. These two systems (i.e., the secondly and the thirdly discussed systems) use the reversible solid-gas reaction for absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3, however, the conditions of pressure and temperature between them differ. The second system from literature operates at desorption and absorption at respective conditions of 96 °C, 15 bar and 87 °C, 11 bar while the third system discussed operates at 103 °C, 16 bar and 59 °C, 3 bar during desorption and absorption respectively. The last system from literature that is discussed herein provides the same desorption temperature of 80 °C. Inaddition this particular study suggests that the reaction of solid with gaseous NH3 is better (than the solid with liquid NH3 reaction) based on results derived from several different low-pressure experiments of the reactions. The main differences between all these discussed systems from literature, as opposed to the desired TCS system design in this thesis project, concern the systems’ operating mode and the pressure and temperature-conditions. The first difference is that only one of the examined systems pumps the solid VIII powder salt around the system in contrast to the others that keep the salt static inside the reactors and pumped only the ammonia around the system, as chosen in the current system. The second difference concerns the operating conditions during absorption and desorption reactions, where these different systems operate at a widely different pressure and temperature conditions as compared to the current system expectations. Thus, there are four main lessons that were learnt via this literature analysis, to improve the TCS system at DTU to the desired new system in this work. The first lesson is related to the reactants’ transportation mechanism that should be used in this system. Regarding this, it was decided to maintain the solid salt (metal halide) stationary inside each reactor (but not pumping it instead of ammonia), similar to the majority of designs discussed from literature. According to the second and third lessons, the solid-gas reaction is the most suitable solution and only the reactions of absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3 are considered, following the experience from literature (for the reasons explained earlier). The last lesson regards the system’s suitable operating conditions and more specifically the TCS system’s temperatures that should match the district heating temperatures. Thus, the temperature point that was chosen as a priority was 80 °C, from the range 40- 80 °C set in the partner project NHS. To maintain this condition, therefore, the most suitable condition of pressure of both reactions (according to the equilibrium pressure vs temperature curve) was chosen to be at around 8 bar. This same pressure was chosen for both reactions, since the pressure difference between these reactors and the storage of ammonia (i.e. from 8 to 10 bar) should be as small as possible due to the high costs that can arise in the case of a higher pressure difference (i.e. requiring more compressors and heat exchangers). Inspired by these literature cases, firstly a conceptually suitable TCS system was proposed in this project and after that the final desired system was designed and was implemented and evaluated numerically. The numerical design and optimization of the chosen TCS system was performed herein by using the software Aspen Plus (version 9), which contains both fluids and solids in a simulation environment, using consistent physical properties. This TCS system is designed to store and release heat at around 80 °C and 8 bar through absorption and desorption by using two identical reactors respectively. Each reactor includes the amount of around 1 kg (more specifically 0.985 kg) strontium chloride salt reacting with 1.7 kg of ammonia. A verification system is also modelled in Aspen, using available experimental data from literature. Here, the modelled novel system design was adapted to this chosen other system layout from literature which uses the same reaction pair, yet at different operating conditions. This adapted system design in Aspen was then used to verify the chosen configuration and the reliability of the constructed system for the NHS project. Good agreements between the modelled results in Aspen against the available experimental data of this verification model are obtained. A sensitivity analysis is also conducted herein on the proposed novel TCS system to identify the optimum operating conditions and the behaviour of the chosen most important parameters of the system. The designed system provides an energy storage capacity of 0.5 kWh for the specific amounts (in volumetric flow rates) of ammonia and monoammine of strontium chloride, that comes from the analysis, of 1.08696 e-05 kmol/s and 1.5528 e-06 kmol/s respectively. For these specific values of the HTF, the analysis showed that the volumetric flow rates of the heat and cold external sources must be 1.56 l/min (which is decreasing with the increase of the inlet HTF temperature) and 0.42 l/min (which is increasing with the increase of the inlet HTF temperature) respectively. In conclusion, this study presents an ammonia-SrCl2 TCS benchscale system design that allows continuous heat storage and release, in an easy-to-scale up design, also suggesting optimum operating conditions. / En av de mest avgörande frågorna i dag är skyddet av miljön och utfasningen av fossila bränslen som används allmänt över hela världen för mer effektiva och förnybara resurser. Den största delen av den globala energibehovet idag avser uppvärmnings- och kylapplikationer. Ett sätt att minska fossilbaserad termiskenergianvändning är att lagra överskottsvärmeenergi genom termokemiska lagringsmaterial (TCM) och använda den för värme- och kylbehov vid olika tidpunkter och platser. I samband med detta är ett termokemiskt värmelagringssystem numeriskt utformat i detta mastersexamensprojekt, som en del av ett samarbetsprojekt Neutrons for Heat Storage (NHS) finansierat av Nordforsk. Det termokemiska lagringssystemet (TCS) som är konstruerat utnyttjar den reversibla kemiska reaktionen av ammoniak med en metallhalogenid (MeX) för en värmelagringskapacitet på 0.5 kWh, och frigör och lagrar värme respektive under absorption och desorption av ammoniak till och från MeX. Systemet är designat för lågtemperaturuppvärmningstillämpningar runt 40-80 °C. SrCl2 väljs som det mest lämpliga metallhalogeniden för systemet, baserat på studier som utförts av NHS-projektpartnerna. I ammoniak SrCl2-systemet beaktas endast absorption och desorption mellan SrCl2NH3 och SrCl28NH3. De huvudsakliga orsakerna till detta är att absorptionen/desorptionen mellan den sista aminen och SrCl2 kräver ett betydligt högre/lägre reaktionstryck (för en given temperatur), och resulterar i en betydande volymförändring jämfört med resten av aminerna, och är därför praktiskt taget mindre kostnadseffektivt. Detta mastersexamensprojekt inkluderar en detaljerad genomgång av fyra olika TCS-system från litteratur som använder reaktionen mellan ammoniak och metallhalogenider. Dessa väljs här eftersom dessa anses vara de mest relevanta (från litteratur) jämfört med det valda systemet i denna studie. Det första undersökta systemet är ett system byggt av NHS-projektpartnerna vid Danmarks Tekniska Universitet (DTU). Detta har valts på grund av likheterna med det önskade systemet i det aktuella mastersexamensprojektet, vad gäller systemdesign och parametrar. Detta system fungerar i batch-läge, vilket endast tillåter antingen absorption (dvs värmeavgivning) eller desorption (dvs värmelagring) under en specifik cykel. Således kan en uppgraderad design av detta TCS-system vid DTU möjligen vara en lämplig lösning på forskningsmålen för detta mastersexamensprojekt. Dessutom använder detta TCS-system från DTU ganska liknande driftsförhållanden (temperaturer och tryck) i nivå med det aktuella projektets önskade lågtemperaturintervall på 40-80 °C. Det andra systemet från den litteratur som diskuterats använder två reaktorer för kyla och värmeproduktion, vilket innebär att både laddningsoch urladdningsprocesser sker samtidigt. Denna samtidiga operation är främst anledningen till att systemet undersöktes, eftersom detta är en önskad funktion att uppnå i det aktuella projektet. Nästa system från den litteratur som diskuteras häri använder också två reaktorer för absorptions- och desorptionsprocesser, som fungerar reversibelt när varje process är klar, precis som önskat i detta projekt. Dessa två system (dvs det andra och det tredje diskuterade systemen) använder den reversibla fastgasreaktionen för absorption och desorption mellan SrCl2NH3 och SrCl28NH3, dock vid olika tryck- och temperaturförhållanden. Det andra systemet arbetar nämligen under kombinationer av absorption och desorption av 96 °C, 15 bar och 87 °C, 11 bar, medan det tredje systemet arbetar vid 103 °C, 16 bar respektive 59 °C, 3 bar. Det sista systemet som diskuterats från litteraturen arbetar vid samma temperatur som det önskade systemet gör (dvs. 80 ° C) och genom olika lågtrycksexperiment visar att den fasta salt-gasreaktionen är ett bättre val än reaktionen av det fasta saltet med flytande gasreaktion. De viktigaste skillnaderna mellan alla dessa diskuterade system från litteratur i motsats till det önskade TCS-system i detta mastersexamensprojekt, avser systemdriftläge samt deras tryck och X temperaturförhållanden. Den första skillnaden är att endast ett av alla undersökta system pumpar saltet i fast pulverform, till skillnad från de andra som håller saltet stillastående i reaktorerna och endast pumpar ammoniak. Den andra skillnaden gäller driftsförhållandena under absorptions- och desorptionsreaktioner där dessa system arbetar vid mycket olika tryck- och temperaturförhållanden jämfört med det nuvarande systemet. Således, från översynen av alla system, finns det fyra huvudsakliga lärdomar för att förbättra TCS-systemet vid DTU till det önskade nya systemet. Den första är relaterad till reaktanttransportmekanismen som bör användas i detta system. I detta avseende har det beslutats att hålla det fasta saltet (metallhalogenid) stillastående i varje reaktor (men inte pumpa det istället för ammoniak), till skillnad från de flesta system i litteraturen. Enligt dem andra och tredje lektionerna är den fasta gasreaktionen den mest lämpliga lösningen och endast reaktionerna på absorption och desorption mellan SrCl2∙NH3 och SrCl2∙8NH3 bör övervägas enligt erfarenheten från litteraturen (av de skäl som förklarats tidigare). Den sista lärdomen avser systemets lämpliga driftsförhållanden och mer specifikt TCS-systemets temperaturer för att matcha fjärrvärmetemperaturerna. Den temperaturpunkten valts som prioritet, från området 40-80 °C inställt av moderprojektet NHS, sattes till 80 °C. För att bibehålla detta tillstånd var det lämpligaste tryckvillkoret för båda reaktionerna (enligt jämviktstrycket kontra temperaturkurva) valdes att ligga på cirka 8 bar. Samma tryck valdes för båda reaktionerna, eftersom tryckskillnaden mellan dessa reaktorer och lagring av ammoniak (dvs. från 8 till 10 bar) borde vara så liten som möjligt på grund av de höga kostnaderna som kan uppstå vid högre tryckskillnad (dvs. fler kompressorer krävs och värmeväxlare). Inspirerad av denna litteratur föreslogs för det första ett konceptuellt lämpligt TCS-system i detta mastersexamensprojekt, varefter det slutliga systemet implementerades och utvärderades numeriskt för de önskade förhållandena. Den numeriska utformningen och optimeringen av det valda TCS-systemet utfördes här med hjälp av programvaran Aspen Plus (version 9), som innehåller både vätskor och fasta ämnen i en simuleringsmiljö, med konstant fysiska egenskaper. Detta TCS-system är utformat för att lagra och släppa värme vid cirka 80 °C och 8 bar genom absorption och desorption med användning av två identiska reaktorer respektive. Varje reaktor innefattar cirka 1 kg (närmare bestämt 0.985 kg) strontiumkloridsalt reagerande med 1.7 kg ammoniak. Ett verifieringssystem modelleras också i Aspen med hjälp av tillgängliga experimentella data från litteraturen. I detta anpassades den modellerade nya systemdesignen till denna valda andra verifieringssystemlayout från litteratur, som använder samma reaktionspar, men under olika driftsförhållanden. Denna anpassade systemdesign i Aspen användes sedan för att verifiera den valda konfigurationen och tillförlitligheten för det designade systemet för NHS-projektet. Här erhålls ett bra avtal för denna verifieringssystemdesign mellan Aspenmodellresultaten och experimentdata. Här utförs också en känslighetsanalys för det utformade TCSsystemet i det aktuella projektet för att identifiera de optimala driftsförhållandena och beteendet för de valda viktigaste parametrarna i systemet. Det konstruerade systemet ger en energilagringskapacitet på 0.5 kWh för de specifika mängderna (i volymflöde) av ammoniak och monoamin av strontiumklorid, som kommer från analysen, av 1.08696 e-05 kmol/s och 1.5528 e-06 kmol/s respektive. För dessa specifika värden på värmeöverföringsvätskan visade analysen att de volymetriska flödeshastigheterna för värme och kalla yttre källor måste vara 1.56 l/min (vilket minskar när temperaturen på värmeöverföringsvätskan ökar) och 0.42 l/min (som ökar när temperaturen på värmeöverföringsvätskan ökar). Sammanfattningsvis presenterar denna studie ett ammoniak-SrCl2 TCS-bänkskålsystem som möjliggör kontinuerlig värmelagring och frigöring, har en design som är lätt att anpassa och föreslår också optimala driftsförhållanden.

The world is constantly striving towards a more sustainable living, where every part of contribution is greatly appreciated. When it comes to heating of buildings, district heating is often the main source of heat. During specific times, peak demands are created by the tenants who are demanding a lot of heat at the same time. This demand peak puts a high load on the piping system as well as the need for certain peak boilers that run on non-environmental friendly peak fuel. One solution that is presented in this degree project that solves the time difference between production and demand is by utilizing thermal storage solutions. A dynamic district heated building model is developed with proper heat propagation in the pipelines, thermal inertia in the building and heat losses through the walls of the building. This is all done utilizing 4th generation district heating temperatures. Modelica is the tool that was used to simulate different scenarios, where the preheating of indoor temperature is done to mitigate the possibility for demand peaks. Using an already existing model, implementation and adjustments are done to simulate thermal storage and investigate its effectiveness in a 4th generation district heating system. The results show that short-term energy storage is a viable solution in concrete buildings due to high building mass. However, combining both 4th generation district heating with storage in thermal mass is shown not to be suitable due to low temperatures of supply water, which is not able to increase the temperature of the building’s mass enough.