In Sweden, the building sector accounts for about 35% of the total energy consumption. Some of the major contributors to energy consumption are the urban educational buildings, such as schools and universities which have considerable potential for improved energy efficiency. Furthermore, it is Sweden’s goal to mitigate climate change and set a zero net target for greenhouse gas emissions by 2045 at the latest. To meet this goal, it is essential to design building energy management with advanced optimization algorithms and data science to ensure renewable sources integration and strategical management for loads and storage. This thesis designs an Energy Management System (EMS) Optimization model that combines Mixed-Integer Linear Programming (MILP) and PV-battery sizing to satisfy energy consumption with the least energy bills and carbon emissions in urban educational buildings. A case study of two educational buildings in Stockholm will be used to simulate and evaluate the effectiveness of the proposed EMS model. Three main studies were made under the current electricity contract and a pre-defined PV capacity for buildings. The first study shows the MILP-based EMS enables optimized decisions of solar production curtailment, smart grid consumption, and smart battery usage while satisfying the building load with the lowest possible energy cost. The MILP-based EMS model achieves more flexible scheduling for batteries and PV integration than traditional rule-based EMS, but the annual saving difference is minimal. With a 25kWp PV system and the proposed EMS, the electric-heated case building saves 21.49% of energy bills annually, while the case building with district heating can save 23.35% of energy bills annually. Secondly, the best optimal Battery Energy Storage System (BESS) sizing is determined with findings that increasing BESS sizing can bring a higher saving but the increase is less than 0.5% due to limited solar energy production and low feed-in income. Under current energy contracts and building conditions, results justify the installation of PV systems but do not support the investment of a BESS. Energy cost saving doesn’t have more potential in electric-heated buildings compared to traditional district-heated buildings. Finally, the third study conducts a sensitivity analysis of the BESS’s Levelized Cost of Energy (LCOE), providing the threshold LCOE for the system with PV-BESS to be economically beneficial, which is 0.27 SEK/kWh. / Byggsektorn står för cirka 35% av Sveriges totala energiförbrukning. Bland de främsta bidragsgivarna återfinns stadsutbildningsbyggnader, såsom skolor och universitet, som har stor potential för förbättrad energieffektivitet. Dessutom strävar Sverige efter att mildra klimatförändringar och sätta upp klimatneutrala mål för byggnader. För att nå dessa mål krävs smart energihantering. Denna avhandling presenterar en modell för optimering av energihanteringssystem (EMS) som kombinerar blandad heltalslinjär programmering (MILP) och dimensionering av solcellsbatterier. Syftet är att minimera elkostnader och koldioxidutsläpp i urbana utbildningsbyggnader och därigenom förbättra hållbarheten. En fallstudie av två utbildningsbyggnader i Stockholm används för att utvärdera EMS-modellens effektivitet. Tre huvudstudier genomfördes inom ramen för det befintliga elavtalet och med en fördefinierad solcellskapacitet för byggnaderna. I den första studien framkommer att EMS baserad på MILP möjliggör mer flexibel schemaläggning för batterier och integration av solceller jämfört med en regelbaserad EMS. Trots detta är skillnaden i årliga besparingar mycket liten. Med ett 25 kWp solcellssystem och den föreslagna EMS sparar en eluppvärmd byggnad 21,49% av elkostnaderna årligen, medan en byggnad med fjärrvärme kan spara 23.35% av elkostnaderna årligen. I den andra studien bestäms optimal storlek för batterilagringsystemet (BESS). Resultaten visar att en ökad storlek på BESS kan ge högre besparingar, men ökningen är mindre än 0,5% på grund av begränsad produktion av solenergi och låga intäkter från nätmatning. Under nuvarande avtal och byggnadsförhållanden motiverar resultaten installationen av solcellssystem, men stöder inte investeringen i BESS. Slutligen genomför den tredje studien en känslighetsanalys av nivåniserad energikostnad (LCOE) för BESS och ger tröskel-LCOE för att systemet med solceller och BESS ska vara ekonomiskt fördelaktigt, vilket är 0,27 SEK/kWh.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-347541 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Xiao, Binli |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2024:103 |
Page generated in 0.003 seconds