Η θερμική επίδραση των φωτοβολταϊκών στο αστικό περιβάλλον

Abstract

This PhD thesis focuses on the integrated assessment of the thermal and energy impact of photovoltaic (PV) systems in the urban environment, introducing a combined methodological approach that incorporates in-situ field measurements, one-dimensional thermal modelling, and numerical simulation using the WRF-BEP+BEM model for the first time in Greece and across Europe. The study focuses on Athens, which provides as an example of a Mediterranean metropolis with severe urban heat island (UHI) effects and limited geographical availability for large-scale energy solutions. The novelty of this research lies in the systematic investigation of multiple types of PV installations (rooftop, pavement, and combined scenarios) in terms of thermal behaviour, energy performance, and microclimatic effect. Furthermore, the development and use of composite assessment indicators enables the quantification of thermal load and urban compatibility. For the first time in a Greek metropolitan environment, empirical and model-based assessments of air and surface temperature responses, as well as the behaviour of the planetary boundary layer (PBL), are performed under large-scale PV deployment scenarios. The thesis is divided into two sections: the theoretical framework, which investigates the urban heat island phenomenon, the characteristics of PV technologies, the principles of urban energy balance, and the fundamentals of the WRF model; and the applied section, which presents experimental data, simulation results, and a multicriteria evaluation of the different scenarios. The results indicate that rooftop PVs demonstrate high energy yields (up to 190 kWh/m²/year in the RPV100% scenario), but have a significant impact on the microclimate, causing increases in air temperature of up to +1.2°C and surface temperature of up to +3.1°C. Photovoltaic pavements have a lower energy potential (up to 85 kWh/m²/year in the PPV25% scenario), but have a more favorable thermal response compared to conventional asphalt materials. They have a limited surface temperature increase (+0.6°C in simulations) and surface cooling of up to -4.2°C under real-world conditions. The combined scenario (PPV25% + RPV50%) is the ideal design, achieving a balance of energy performance (~160 kWh/m²/year) and moderate thermal effect (ΔTair ≈ +0.7°C, ΔTsurface ≈ +1.9°C).This study addresses a critical gap in the international literature, by investigating the relationship of PVs' thermal and energy performance in real-world urban environments, notably under Mediterranean climatic and morphological conditions. The majority of extant research are theoretical or laboratory-based, or they only consider the energy dimension. This study adds to current knowledge on the thermodynamic behaviour of PV systems by combining quantitative approaches and real-world data. It also supports strategic urban planning for climate-resilient cities by providing evidence-based guidance for the optimal integration of PV technologies into the urban fabric.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ολοκληρωμένη αξιολόγηση της θερμικής και ενεργειακής επίδρασης των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) διατάξεων στο αστικό περιβάλλον, εισάγοντας για πρώτη φορά στον ελληνικό και ευρύτερο ευρωπαϊκό χώρο μια συνδυαστική μεθοδολογική προσέγγιση που συνδυάζει πειραματικές μετρήσεις πεδίου, μονοδιάστατη θερμική μοντελοποίηση και αριθμητική προσομοίωση μέσω του συστήματος WRF-BEP+BEM. Η ανάλυση επικεντρώνεται στην πόλη της Αθήνας, η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μεσογειακής μεγαλούπολης με έντονη αστική υπερθέρμανση και περιορισμένη διαθεσιμότητα για ενεργειακές παρεμβάσεις μεγάλης κλίμακας. Η καινοτομία της εργασίας έγκειται στη συστηματική διερεύνηση διαφορετικών τύπων Φ/Β εφαρμογών (σε οροφές, πεζοδρόμια και συνδυαστικά σενάρια) αναφορικά με τη θερμική τους συμπεριφορά, την ενεργειακή τους απόδοση και την επίδρασή τους στο μικροκλίμα, καθώς και στην ανάπτυξη σύνθετων δεικτών αξιολόγησης που ποσοτικοποιούν τη θερμική επιβάρυνση και την αστική συμβατότητα. Για πρώτη φορά στην Ελλάδα, αξιολογείται εμπειρικά και υπολογιστικά η απόκριση της θερμοκρασίας αέρα και επιφανείας, καθώς και η δυναμική του οριακού στρώματος (PBL), σε σενάρια ενσωμάτωσης Φ/Β σε μεγάλη κλίμακα. Η δομή της διατριβής περιλαμβάνει δύο κύρια μέρη: το θεωρητικό σκέλος, στο οποίο αναλύονται το φαινόμενο της αστικής υπερθέρμανσης, τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών οι μηχανισμοί του αστικού θερμικού ισοζυγίου, και το θεωρητικό υπόβαθρο του μοντέλου WRF· και το εφαρμοσμένο σκέλος, στο οποίο παρουσιάζονται τα πειραματικά δεδομένα, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και η πολυκριτηριακή αξιολόγηση των σεναρίων εφαρμογής. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα Φ/Β σε οροφές παρουσιάζουν υψηλή ενεργειακή απόδοση (έως 190 kWh/m²/έτος στο σενάριο RPV100%), συνοδευόμενη ωστόσο από σημαντική θερμική επιβάρυνση του μικροκλίματος, με αύξηση της θερμοκρασίας αέρα έως +1.2°C και επιφανείας έως +3.1°C. Αντιθέτως, τα φωτοβολταϊκά πεζοδρόμια, παρότι εμφανίζουν χαμηλότερο ενεργειακό δυναμικό (έως 85 kWh/m²/έτος στο σενάριο PPV25%), δεν επιβαρύνουν αισθητά το θερμικό αστικό ισοζύγιο καθώς παρουσιάζουν περιορισμένη αύξηση θερμοκρασίας επιφανείας (+0.6°C στις προσομοιώσεις) και μείωση έως –4.2°C σε πραγματικές συνθήκες, σε σύγκριση με συμβατικά ασφαλτικά υλικά. Το συνδυαστικό σενάριο PPV25% + RPV50% αναδεικνύεται ως η βέλτιστη λύση, προσφέροντας ενεργειακή απόδοση περίπου 160 kWh/m²/έτος και μέτρια θερμική επιβάρυνση (ΔΤαέρα≈ +0.7°C, ΔΤεπιφανείας ≈ +1.9°C). Η διατριβή καλύπτει ένα ουσιαστικό κενό στη διεθνή βιβλιογραφία, καθώς η αλληλεπίδραση μεταξύ της ενεργειακής και θερμικής απόδοσης των Φ/Β στον πραγματικό αστικό χώρο, υπό μεσογειακές κλιματολογικές και πολεοδομικές συνθήκες, έχει μελετηθεί ελάχιστα έως σήμερα. Οι περισσότερες σχετικές μελέτες περιορίζονται σε θεωρητικά ή εργαστηριακά σενάρια, ή επικεντρώνονται αποκλειστικά στην ενεργειακή διάσταση. Η παρούσα εργασία συμβάλλει στον εμπλουτισμό της γνώσης για τη θερμοδυναμική συμπεριφορά των Φ/Β και ενισχύει το στρατηγικό σχεδιασμό για κλιματικά ανθεκτικές πόλεις, προσφέροντας τεκμηριωμένα και ποσοτικοποιημένα δεδομένα για τη βέλτιστη ενσωμάτωση των τεχνολογιών αυτών στον αστικό ιστό.