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

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.