Διερεύνηση ενεργειακών και περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη χρήση αντλιών θερμότητας αέρα-νερού σε συστήματα θέρμανσης

Abstract

Heat pumps (HPs) are regarded as one of the most efficient, mature, and reliable technologies that utilize renewable energy sources - such as air, water, or ground - to provide heating, cooling, and domestic hot water with no harmful emissions given off locally. Moreover, with the decarbonization of the electricity sector, HPs in combination with thermal storage in heating and cooling systems, may help to balance the differences between the electric energy production from renewable energy sources (RES) and energy demand, playing the role of “thermal batteries”. In particular, air-to-water HPs are expected to replace oil and natural gas boilers on a large scale, especially in urban areas where the installation of geothermal systems is challenging. Their use and application are especially favorable within Greek territory due to the mild climate. The objective of this dissertation is to investigate the energy performance and environmental impacts associated with the operation of air-to-water HPs in heating systems in Greece. The energy performance was examined through the estimation and evaluation of the Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) for heating, in accordance with the European Standard EN14825, for each region and climatic zone of Greece. In this way, the energy labeling and energy analysis of air-to-water heat pump heating systems can be achieved more accurately and reliably. The environmental impacts were assessed by estimating the indirect carbon dioxide (CO₂) emissions, resulting from the use of air-to-water HPs and by comparing these with the respective impacts from conventional heating systems based on the combustion of oil or natural gas.An initial analysis of the operational characteristics of a large sample of heat pumps revealed that the evaluation of energy efficiency cannot be reliably achieved using the nominal coefficient of performance (COP) in heating mode. This finding necessitates the study of the seasonal coefficient of performance (SCOP) based on long-term climatic data obtained from local meteorological stations. To this purpose, statistical processing of hourly outdoor air temperature data from 50 meteorological stations of the National Observatory of Athens was conducted for the period 2010–2019. From these data, a temperature database suitable for energy calculations according to the EN14825 standard was developed. In parallel, a software was developed to estimate the seasonal coefficient of performance (SCOP), simulating the operation of heat pumps, accounting for parameters such as regional climate, building construction characteristics, water supply temperature in the heating system, and operational control strategies.The application of the software to 50 Greek cities revealed significant variations in SCOP among different regions, depending on climatic zone and building characteristics. The results highlighted the optimal operating conditions of HPs, including water supply temperature to heating surfaces, the implementation of weather-compensated control, and the sizing of the heat pump relative to the thermal load. Furthermore, the seasonal coefficient of performance (SCOP) for heating was calculated for the HPs included in the software database, across the 50 Greek cities and under various operational and building insulation conditions. The analysis of these results yielded valuable insights regarding the range of variations of the seasonal performance by city and climatic zone, which are presented in graphs, tables, and maps. Finally, the comparative assessment of HPs against conventional fossil-fuel-based heating systems, with respect to their environmental impacts during operation, demonstrated a substantial reduction in indirect CO₂ emissions due to the utilization of ambient thermal energy and the high energy efficiency of HPs. These findings confirm the significant role of heat pumps in achieving a sustainable energy transition.

Οι αντλίες θερμότητας (ΑΘ) θεωρούνται από τις πλέον αποδοτικές, ώριμες και αξιόπιστες τεχνολογίες που αξιοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως ο αέρας, το νερό ή το έδαφος, και παρέχουν θέρμανση, ψύξη και ζεστό νερό χρήσης χωρίς να επιβαρύνουν τοπικά το περιβάλλον. Επιπλέον, όσο το ηλεκτρικό δίκτυο απανθρακοποιείται, μπορούν, σε συνδυασμό με τη θερμική αποθήκευση, να λειτουργήσουν ως «θερμικές μπαταρίες» συμβάλλοντας στην εξισορρόπηση μεταξύ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ και της ζήτησης. Ιδιαίτερα, οι ΑΘ αέρα–νερού αναμένεται να αντικαταστήσουν σε ευρεία κλίμακα τους λέβητες πετρελαίου και φυσικού αερίου, ιδίως σε αστικές περιοχές όπου η εγκατάσταση γεωθερμικών συστημάτων είναι δυσχερής. Η χρήση τους και η εφαρμογή τους ευνοείται ιδιαίτερα στην ελλαδική επικράτεια λόγω του ήπιου κλίματος. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της ενεργειακής απόδοσης και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκύπτουν από τη λειτουργία ΑΘ αέρα-νερού σε συστήματα θέρμανσης στην Ελλάδα. Η ενεργειακή απόδοση μελετήθηκε με την εκτίμηση και αξιολόγηση του εποχιακού συντελεστή απόδοσης σε θέρμανση (SCOP) των ΑΘ αέρα-νερού, σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ14825, για κάθε περιοχή και κλιματική ζώνη της Ελλάδας. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί η όσο το δυνατόν ακριβέστερη και αξιόπιστη ενεργειακή σήμανση (Energy Labeling) και ενεργειακή ανάλυση των συστημάτων θέρμανσης με ΑΘ αέρα-νερού. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις διερευνήθηκαν με την εκτίμηση των έμμεσων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) που προκύπτουν από τη χρήση ΑΘ αέρα-νερού, και με τη σύγκρισή τους με τις αντίστοιχες επιπτώσεις από παραδοσιακά συστήματα θέρμανσης που βασίζονται στην καύση πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Η αρχική ανάλυση των λειτουργικών χαρακτηριστικών μεγάλου δείγματος ΑΘ ανέδειξε ότι η αξιολόγηση της ενεργειακής αποδοτικότητας δεν μπορεί να επιτευχθεί με τον συντελεστή στιγμιαίας απόδοσης σε θέρμανση (COP), καθιστώντας αναγκαία τη μελέτη του εποχιακού συντελεστή απόδοσης (SCOP) με βάση κλιματικά δεδομένα μακρών χρονικών περιόδων από καταγραφές σε τοπικούς μετεωρολογικούς σταθμούς. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε στατιστική επεξεργασία ωριαίων τιμών θερμοκρασίας εξωτερικού αέρα από 50 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, για την περίοδο 2010–2019. Από τα δεδομένα αυτά διαμορφώθηκε μία βάση θερμοκρασιακών δεδομένων, κατάλληλων για ενεργειακούς υπολογισμούς σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ14825. Παράλληλα, αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό για την εκτίμηση του εποχιακού συντελεστή αποδοτικότητας σε θέρμανση SCOP, το οποίο προσομοιώνει τη λειτουργία των ΑΘ λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους όπως το κλίμα της περιοχής, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του κτιρίου, τη θερμοκρασία προσαγωγής νερού στο σύστημα θέρμανσης και το σύστημα ελέγχου λειτουργίας. Η εφαρμογή του λογισμικού στις 50 ελληνικές πόλεις κατέδειξε σημαντικές διαφοροποιήσεις του SCOP μεταξύ των περιοχών, ανάλογα με την κλιματική ζώνη και τα χαρακτηριστικά των κτιρίων. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας των ΑΘ, περιλαμβανομένων της θερμοκρασίας προσαγωγής νερού προς τις θερμαντικές επιφάνειες, της λειτουργίας αντιστάθμισης και της διαστασιολόγησης της ΑΘ σε σχέση με το θερμικό φορτίο. Επιπρόσθετα, υπολογίστηκε ο εποχιακός συντελεστής απόδοσης SCOP σε θέρμανση των ΑΘ του δείγματος που είναι καταχωρημένες στο λογισμικό για τις 50 ελληνικές πόλεις και για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και θερμικής μόνωσης κτιρίων. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχετικά με το εύρος διακύμανσης του εποχιακού συντελεστή απόδοσης ανά πόλη και ανά κλιματική ζώνη, τα οποία παρουσιάζονται σε διαγράμματα, πίνακες και χάρτες. Τέλος, η συγκριτική αξιολόγηση των ΑΘ με συμβατικά συστήματα θέρμανσης ορυκτών καυσίμων ως προς τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους από τη λειτουργία τους, κατέδειξε σημαντική μείωση των έμμεσων εκπομπών CO₂ μέσω της αξιοποίησης της θερμικής ενέργειας του περιβάλλοντος και της υψηλής ενεργειακής τους απόδοσης, επιβεβαιώνοντας τον σημαντικό ρόλο των ΑΘ για τη βιώσιμη ενεργειακή μετάβαση.