title: Simulation-aided performance analysis of an energy self-sufficient off-grid housing unit
Creators: name: Lisyana, Viktoriya
Publisher: name: TU Wien
Year: 2018
Subjects: subject: Self-sufficient Housing
subject: Off-Grid Housing
subject: Energy Simulation
subject: Tiny Housing

description: Im Diskurs um autarke Gebäude erscheinen unaufhörlich neue Lösungsansätze. Manche werden bestimmt durch die Rahmenbedingungen, wie zum Beispiel die abgelegene Lage einer Berghütte. Andere wiederum entstehen allein aus dem Verlangen heraus, unabhängig und nicht an das Netz angeschlossen zu sein, wie auch hier in der vorliegenden Fallstudie. Mit dynamischer Gebäudesimulation wird untersucht, ob ein Minimalsystem auf kleinstem Raum, basierend nur auf selbst erzeugter elektrischer Energie, vollständige Energieautarkie trotz limitiert verfügbaren Platzes für Photovoltaiksystem und Speicher erreichen kann und mit welchen Mitteln dies möglich ist. Durch den limitierten Platzbedarf sind dem, im Folgenden dargelegten Vorhaben, Grenzen gesetzt, die die Entwicklung eines überdimensionalen Systems, fernab von jeglicher Realität, verhindern. Zuerst wurden unterschiedliche Definitionen von energieautarken Gebäuden durch eine Literaturrecherche zusammengetragen, sodass daraus Evaluationsmethoden für solche Systeme abgeleitet werden konnten. Dann wurde ein Simulationsmodell in EnergyPlus entwickelt, welches dazu verwendet wurde, unterschiedliche Systeme sowie Verbesserungsmaßnahmen umzusetzen: Eine verbesserte opake Hülle durch Vakuumdämmplatten, eine verbesserte transparente Hülle durch Vakuumverglasung, die Größe des Photovoltaiksystems, die Größe des Batteriespeichers und Raumheizung durch eine Wärmpumpe. Die Ergebnisse zeigen auf, dass mit aktuellen technischen Möglichkeiten ein Gebäudesystem basierend auf nur selbst erzeugtem Strom auf kleinem Raum nicht energieautark funktionieren kann, wenn der Platz für Photovoltaik und Batterien limitiert ist. Der maximale energieautarke Anteil, welcher erreicht werden konnte, beträgt 99% elektrisch und 66% thermisch oder 99% thermisch und 51% elektrisch. Der Grund hierfür sind die hohen Transmissionsverluste durch die Gebäudehülle auf Grund des hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses. Außerdem ist der Energiebedarf am höchsten, wenn am wenigsten Energie zu Verfügung steht, wie beispielsweise im Dezember. Die erforderliche Fläche für das Photovoltaiksystem, um den Bedarf zu decken, übersteigt bei weitem die verfügbaren Flächen.
description: Various new solutions are emerging every year in the discourse on self-sufficient buildings. Some are necessary due to conditions such as remote locations (e.g. mountain huts), others are motivated solely by the desire of being independent of the electrical grid like the underlying case study of this master thesis, an off-grid self-sufficient small housing unit. With the support of a dynamic simulation, this thesis analyzes the question whether a fully self-sufficient solution for the case study object solely based on self-produced electrical energy is possible and which measures are necessary for this purpose. The limited living area sets boundaries to prohibit oversized and unrealistic energy supply and storage systems. First, a literature review was conducted to analyze definitions of ‘self-sufficiency’, so that evaluation methods for such concepts could be deducted from them. Then, an energy simulation model was developed and used to simulate different system set-ups and improvement measures, namely: an improved opaque envelope through vacuum panels, an improved transparent envelope through vacuum glazing, a bigger photovoltaic system, a larger electrical storage and heating through an air-to-air heat pump. The results illustrate that with the state-of-the-art technologies, a fully self-sufficient solution for the underlying case study cannot be achieved by only using self-produced electrical energy with limited space for the photovoltaic system and electrical storage. As an optimum, a solution with 99% electrical and 66% thermal self-sufficiency can be achieved, or 99 % thermal self-sufficiency and 51% electrical self-sufficiency. The reason for this is the fact that the losses are high due to a large surface-area-to-volume-ratio. Furthermore, the demand is highest, when the production is lowest, e.g. in December. The necessary surfaces for the photovoltaic system, to cover the demand in winter, are far beyond the available space.