Off-grid modelling of a house

Abstract

Off-grid systems are mainly used in places where grid electricity is not viable due to cost or lack of infrastructure. Off-grid system dimensioning can be divided into three different parts, load generation, energy generation, and storage systems. It is hard for a completely new off-grid project to approximate the load and energy generation amounts, especially daily changes, without simulating the system. The main focus of this thesis is to research how an off-grid system can be simulated using computer software. The software used in the thesis is EnergyPlus. The secondary focus is to study the different aspects affecting off-grid systems' self-sufficiency by simulating multiple configurations for a system using the built EnergyPlus model.

The simulation result of the example cases shows that different configurations can be easily tested and analyzed to help find the best solution by modelling a digital twin of the off-grid system using EnergyPlus. The simulation results also show that a fully self-sufficient off-grid system in Finland is almost impossible to construct feasibly with only renewable energy. The problem points are low energy generation during winter and the nonfeasible storage capacity needed to cover the winter months. It was also found out that electrical equipment can cause problem points for the system by generating energy load spikes.

Off-grid järjestelmiä käytetään pääasiassa tilanteissa ja paikoissa, joissa sähkön saanti yleisestä verkosta ei ole mahdollista. Syitä voivat olla infrastruktuurin puuttuminen tai verkkosähkön hinta. Off-grid järjestelmän mallintaminen voidaan jakaa kolmeen pääosaan joita ovat energiakuorman, energiantuotannon ja energian varastoinnin simulointi. Off-grid järjestelmiä suunnitellessa voi olla vaikeea arvioda enegian kulutusta ja tuotantoa ilman simulaatiota, koska ne riippuvat useista eri tekijöistä kuten säätilasta ja talon varustetasosta. Tämän työn päätarkoitus on tutkia kuinka off-grid järjestelmiä voidaan simuloida käyttämällä EnergyPlus tietokoneohjelmistoa. Toinen tavoite on käyttää rakennettua mallia tutkimaan kuinka järjestelmän eri osa-alueet vaikuttavat omavaraisuus asteeseen.

Työn esimerkki simulaatioiden tulokset osoittavat, että EnergyPlus on erinomainen simulaatio työkalu erilaisten off-grid kokoonpanojen testaamiseen ja analysointiin. Simulaatiotulokset osoittavat myös täysin ympärivuotisesti omavaraisen järjestelmän rakentamisen olevan lähes mahdotonta suomessa käyttäen vain uusiutuvan energian lähteitä. Ongelmakohdiksi järjestelmässä muodostui huono energiantuotanto talvella, joka johtaa käytännöllisesti järjettömän kokoiseen energian varastoinnin tarpeen toteutettavaksi klassisilla akustoilla. Tulokset osoittivat myös, että sähkölaitteista johtuvat energiakuormapiikit voivat muodostaa ongelmakohtia off-grid järjestelmän suunnittelussa.