Ενσωμάτωση τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε κτίρια σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης ενέργειας

Abstract

Renewable Energy Sources (R.E.S.) have been the subject of great scientific interest of many decades. The aim of this dissertation is the development of a comprehensive methodological framework for the evaluation of available R.E.S. technologies for the building sector. The recording of existing technologies and their appropriate combination, of the legal framework, and of the European Energy Policy are three additional research areas of the dissertation. The methodological framework developed is based on the energy, environmental and economic evaluation of the technologies. More specifically, the energy evaluation includes the study of different energy systems, with the main goal of the maximum possible contribution of R.E.S. in the total energy consumption of the building, so that the building can be included in Nearly Zero Energy Buildings, while at the same time utilizing R.E.S. in the best possible combination. The environmental assessment is performed for the life cycle of each system (construction, usage and final disposal), in order to calculate the greenhouse gas emissions associated with each system. Finally, the economical evaluation is based primarily on Life Cycle Cost Analysis (L.C.C.A.) methodology and has as its main goal to highlight the most cost-efficient technical solutions, taking into account the changes in fuel costs in the coming years. With the completion of the individual evaluations, a registry of proposed solutions was created for different building typologies for the four climates zones of Greece (A, B, C and D). Then, through the multicriteria analysis, the best and worst scenarios for each case were identified, with emphasis each time on energy, environmental and economical evaluation respectively. Additionally, a user-friendly evaluation tool was created at the end, which allows the utilization of the results of this thesis, and their adaptation to users’ preferences, thus completing the proposed methodological framework. In conclusion, the dissertation firstly highlighted the importance of the use of R.E.S. technologies in Nearly Zero Energy Buildings, but it is now clear that choosing the right system is not a one-dimensional problem and the optimal combination may not be unique. In climate zones A and B where conditions are more favourable, solar combi systems, even with the conventional auxiliary source, are highly energy efficient. In climate zones C and D, where the requirements are clearly higher and the climatic conditions are less favourable, especially in large-scale applications, the efficiency of solar thermal systems is significantly reduced, while the need for a combination of R.E.S. technologies is deemed essential. Biomass boilers are the optimal solution in terms of the carbon footprint and energy efficiency, as their operation is not affected by external conditions. Additionally, air-water heat pumps exhibit increased efficiency in climate zones A and B, while a significant reduction in their efficiency is observed in C and D, which ultimately leads to higher energy consumptions and increased emissions of greenhouse gases. Regarding the cost, it was concluded that the combination of R.E.S. systems leads to increased installation costs.

Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) αποτελούν ένα αντικείμενο μεγάλου επιστημονικού ενδιαφέροντος εδώ και πολλές δεκαετίες. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μεθοδολογικού πλαισίου αξιολόγησης των διαθέσιμων τεχνολογιών Α.Π.Ε., σε ότι αφορά τον κτιριακό τομέα. Η αποτύπωση των υφιστάμενων τεχνολογιών και ο κατάλληλος συνδυασμός τους, του νομοθετικού πλαισίου καθώς και της ευρωπαϊκής ενεργειακής πολιτικής είναι τρία επιπλέον πεδία έρευνας της διατριβής. Το μεθοδολογικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε στηρίζεται στην ενεργειακή, περιβαλλοντική και οικονομική αξιολόγηση των τεχνολογιών. Πιο αναλυτικά, η ενεργειακή αξιολόγηση περιλαμβάνει τη μελέτη διαφορετικών ενεργειακών συστημάτων με βασικό στόχο την κατά το δυνατόν μέγιστη συνεισφορά των Α.Π.Ε. στη συνολική κατανάλωση ενέργειας του κτιρίου, ώστε το κτίριο να μπορεί να ενταχθεί στα Κτίρια Σχεδόν Μηδενικής Κατανάλωσης Ενέργειας, αξιοποιώντας παράλληλα τις Α.Π.Ε. με το βέλτιστο δυνατό συνδυασμό. Η περιβαλλοντική αξιολόγηση πραγματοποιείται για το συνολικό κύκλο ζωής του κάθε συστήματος (κατασκευή, χρήση και τελική διάθεση), με σκοπό τον υπολογισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου που σχετίζονται με το κάθε σύστημα. Τέλος, η οικονομική αξιολόγηση βασίζεται κυρίως στη μεθοδολογία Ανάλυσης Κόστους Κύκλου Ζωής (Α.Κ.Κ.Ζ.) και έχει ως βασικό στόχο την ανάδειξη των οικονομικά αποδοτικότερων τεχνικών λύσεων, λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές στο κόστος καυσίμων κατά τα επόμενα χρόνια. Με την ολοκλήρωση των επιμέρους αξιολογήσεων δημιουργήθηκε ένα μητρώο προτεινόμενων λύσεων για διαφορετικές τυπολογίες κτιρίων για τις τέσσερις κλιματικές ζώνες της Ελλάδας (Α, Β, Γ και Δ). Στη συνέχεια, μέσω της πολυκριτηριακής ανάλυσης αναδείχθηκαν τα βέλτιστα και χείριστα σενάρια ανά περίπτωση, με βαρύτητα κάθε φορά στην ενέργεια, την περιβαλλοντική επιβάρυνση και την οικονομική αξιολόγηση αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, στο τέλος δημιουργήθηκε ένα εργαλείο αξιολόγησης – αλληλεπίδρασης με το χρήστη, το οποίο δίνει τη δυνατότητα αξιοποίησης των αποτελεσμάτων της διατριβής αλλά και προσαρμογής τους στις προτιμήσεις του χρήστη, ολοκληρώνοντας έτσι το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο. Συμπερασματικά, η διατριβή ανέδειξε καταρχήν τη σημασία της χρήσης των τεχνολογιών Α.Π.Ε. στα Κτίρια Σχεδόν Μηδενικής Κατανάλωσης Ενέργειας, αλλά είναι πλέον φανερό ότι η επιλογή του κατάλληλου συστήματος δεν αποτελεί ένα μονοδιάστατο πρόβλημα και ο βέλτιστος συνδυασμός μπορεί να μην είναι μοναδικός. Στις κλιματικές ζώνες Α και Β, όπου οι συνθήκες είναι πιο ευνοϊκές, τα ηλιοθερμικά συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας ακόμη και με συμβατική βοηθητική πηγή είναι ιδιαίτερα αποδοτικά όσον αφορά την ενεργειακή τους απόδοση. Στις κλιματικές ζώνες Γ και Δ, όπου οι απαιτήσεις είναι σαφώς μεγαλύτερες και οι κλιματικές συνθήκες λιγότερο ευνοϊκές, ειδικά σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, μειώνεται σημαντικά η απόδοση των ηλιοθερμικών συστημάτων ενώ κρίνεται επιτακτική η ανάγκη για συνδυασμό τεχνολογιών Α.Π.Ε. Οι λέβητες βιομάζας αποτελούν τη βέλτιστη λύση όσον αφορά το ανθρακικό αποτύπωμα αλλά και την ενεργειακή απόδοση καθώς δεν επηρεάζεται η λειτουργία τους από τις εξωτερικές συνθήκες. Επιπρόσθετα, οι αντλίες θερμότητας αέρα–νερού παρουσιάζουν αυξημένη απόδοση στις κλιματικές ζώνες Α και Β, ενώ παρατηρείται σημαντική μείωση της απόδοσής τους στις Γ και Δ, που οδηγεί τελικά σε μεγαλύτερες ενεργειακές καταναλώσεις καθώς και αυξημένες εκπομπές αέριων ρύπων. Σχετικά με το κόστος, προέκυψε ότι ο συνδυασμός των συστημάτων Α.Π.Ε. οδηγεί σε αυξημένο κόστος εγκατάστασης.