Defence in the field of mechanical engineering M.Sc. (Tech) Rebecka Savolainen

Opponent Professor Esa Vakkilainen, Lappeenranta University of Technology, LUT

Custos Professor Risto Lahdelma, Aalto University, School of Engineering, Department of Mechanical Engineering

Dissertation Release

Thesis aimed to develop methods for optimal planning and operation of renewable-based hybrid energy systems for different kinds of buildings: office, residential, and mixed-use. The energy systems include electric power from the grid, district heating, district cooling, heat pumps, photovoltaics, and storages for heat, cooling, and power. In such hybrid energy systems, different energy forms and technologies interact in a complex manner. These interactions were resolved by optimization modelling. Linear and mixed integer linear programming were applied in this research. This thesis presents clearly created a new, modern working optimization method to study hybrid energy systems in buildings. This method provides a fresh insight to age old problem which is of particular interest and in line with current trend of energy systems optimization and sustainability. Several important results from three presented studies were achieved: a) the cost-efficiency by use of multiple energy forms and technologies in one energy system in the mixed-use building; b) besides reducing energy costs, energy efficiency was improved, and nearly zero-energy building requirements were satisfied with a clear margin; c) in investigated two different buildings in Helsinki (Finland) and Tallinn (Estonia), power storages were still not cost-efficient, even if they caused savings in operational costs and even in subject to 15-minute power balance. Photovoltaic power was cost-efficient only in the Helsinki building; d) Frequency Containment Reserve for Normal Operation (FCR-N) trade is profitable, and power storages can be cost-efficient together with FCR-N trade. In future research, it would be interesting to verify the results against empirical data collected during operation of the planned or refurbished buildings. It is also worth exploring how the developed methods can be applied in other locations and more southern climate zones to find new cost-efficient, energy efficient and low-carbon solutions for buildings.

Väitöstiedote

Hybridienergiajärjestelmän optimointi kiinteistöille. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää menetelmiä uusiutuvaan energiaan pohjautuvien hybridienergiajärjestelmien optimaaliseen suunnitteluun ja operointiin eri tyyppisissä rakennuksissa: toimistot, asuintalot, yhdistelmärakennukset. Energiajärjestelmiin voi sisältyä verkkosähköä, kaukolämpöä, kaukojäähdytystä, lämpöpumppuja, aurinkosähköä sekä energiavarastoja lämmölle, jäähdytykselle ja sähkölle. Näissä hybridijärjestelmissä eri energia-muodot ja teknologiat vuorovaikuttavat mutkikkaalla tavalla. Vuorovaikutukset otetaan huomioon optimointimallinnuksen avulla, erityisesti lineaarisen ohjelmoinnin ja sekalukuoptimoinnin avulla. Tutkimuksessa on selkeästi luotu uusi, moderni optimointimenetelmä rakennusten hybridienergiajärjestelmien tutkimiseen. Tämä menetelmä tarjoaa tuoreen käsityksen ikivanhasta ongelmasta, joka on erityisen kiinnostava ja linjassa energiajärjestelmien optimoinnin ja kestävyyden nykyisen suuntauksen kanssa. Kolmesta esitellystä tutkimuksesta saatiin useita tärkeitä tuloksia: a) kustannustehokkuus, joka saadaan käyttämällä useita energiamuotoja ja -teknologioita yhdessä energiajärjestelmässä olevassa rakennuksessa; b) energiakustannusten alentamisen lisäksi energiatehokkuutta parannettiin ja lähes nollaenergiarakentamisen vaatimukset täytettiin selvällä marginaalilla; c) tutkituissa kahdessa eri rakennuksessa Helsingissä (Suomi) ja Tallinnassa (Viro) sähkövarastot eivät edelleenkään olleet kannattavia kummassakaan rakennuksessa, vaikka ne aiheuttivat säästöjä käyttökustannuksissa ja jopa 15 minuutin tehotasapainossa. Aurinkosähkö oli kustannustehokasta vain Helsinki-rakennuksessa; d) taajuuden vakautusreservimarkkina (FCR-N) on kannattavaa, ja sähkövarastot voivat olla kannattavia yhdessä FCR-N-kaupan kanssa. Tulevassa tutkimuksessa olisi mielenkiintoista todentaa tulokset suunniteltujen tai kunnostettujen rakennusten käytön aikana kerätyn empiirisen tiedon perusteella. On myös syytä tutkia, miten kehitettyjä menetelmiä voidaan soveltaa muilla paikkakunnilla ja eteläisemmillä ilmastovyöhykkeillä uusien kustannustehokkaiden, energiatehokkaiden ja vähähiilisten ratkaisujen löytämiseksi rakennuksiin.

Contact Rebecka Savolainen  [email protected]  050 3425582