Domestic Hot Water and Space Heating residential systems: European Union Scenario and energetic and exergetic analysis

Abstract

Across the European Union, in almost every household, an equipment to provide domestic hot water and/or space heating is installed. These equipment’s consume a large portion of the energy that is used in the EU. Since the energy sector is one of the biggest contributors to the worsening of the global climate conditions, it is necessary to find more efficient and clean solutions.The objectives of this master's thesis fall into two distinct, yet intrinsically related areas. The first objective was to determine which technologies are currently used in the EU to provide domestic hot water and/or space heating, compare them, and determine which is best. This comparison considered economic factors, performance indicators, inputs and outputs. The second objective is related to the comparison of technologies, since energetic and exergetic analyses were made to the best technology, the boiler, and its most threatening technology, the ORC micro-CHP systems. Within the ORC micro-CHP systems, several variants of this technology were analyzed to determine which is the most suitable for domestic hot water production.Content wise, this document is also divided into two parts. The first part consists of a state of the art of the technologies currently installed in the EU to ensure hot water and/or space heating residential needs. This state of the art includes the characterization of the current energetic scenario in terms of heating needs in the EU, the identification of the main technologies installed, a characterization of each of these technologies (including a SWOT analysis of each one), a direct comparison between all the technologies and finally an evaluation of the capacity of each technology to directly replace the most installed technology (non-condensing boiler). In the second part of this master thesis, energetic and exergetic analyses were performed for four configurations. The first configuration is the combination of a condensing boiler, considered the best technology in the previous section, and a heat engine. The remaining configurations are variants of the ORC micro-CHP technology, considered in the previous section as the greatest threat to boilers in the near future. The energetic analyses performed evaluate the thermal and electrical efficiencies of the configurations, determine the required thermal input and electrical output, and quantify the primary energy savings associated with the normal operation of each system. The exergetic analyses boil down to the determination of the exergy destroyed during the normal operation of each configuration and their efficiency according to the second law of thermodynamics.Finally, it can be concluded that traditional boilers are still the most installed equipment in the EU to suppress domestic hot water and/or space heating needs. However, this technology is threatened by its technological evolution, the condensing boiler, and by two innovative technologies, heat pumps and micro-CHP systems. However, it was found that the most suitable equipment’s to directly replace a traditional boiler are condensing boilers and ORC micro-CHP systems. On the energetic and exergetic level, it was found that the hybrid variant of the ORC micro-CHP systems obtains the best results in most of the parameters analyzed, thus being a better equipment to supply domestic hot water and space heating needs than the other analyzed variants of ORC micro-CHP systems and then the combination of a condensing boiler and a heat engine for combined heat and power production.

Em toda a União Europeia, na maioria das habitações, encontra-se instalado um equipamento para suprimir necessidades de água quente para fins domésticos e/ou de aquecimento de espaço. Estes equipamentos consomem uma grande parte da energia que utilizada atualmente na UE. Dado que o sector energético é um dos que mais contribui para o agravamento das condições climáticas globais, é necessário encontrar soluções mais limpas e eficientes.Os objetivos desta dissertação de mestrado enquadram-se em duas áreas distintas, mas intrinsecamente relacionadas. O primeiro objetivo foi determinar quais as tecnologias atualmente utilizadas na UE para suprimir necessidades de água quente para fins domésticos e/ou de aquecimento de espaços, compará-las, e determinar qual a melhor. Esta comparação considerou fatores económicos, indicadores de desempenho, inputs e outputs. O segundo objetivo está relacionado com a comparação de tecnologias, uma vez que foram feitas análises energéticas e exergéticas à melhor tecnologia, a caldeira, e à tecnologia com maior potencial para a substituir, os sistemas micro-CHP ORC. Dentro dos sistemas micro-CHP ORC, foram analisadas várias variantes desta tecnologia para determinar qual é a mais adequada para a produção de água para fins domésticos e para aquecimento de espaços.Em termos de conteúdo, este documento está também dividido em duas partes. A primeira parte consiste num estado da arte das tecnologias atualmente instaladas na UE para assegurar as necessidades residenciais de água quente e/ou de aquecimento de espaços. Este estado da arte inclui a caracterização do atual cenário energético em termos de necessidades de aquecimento na UE, a identificação das principais tecnologias instaladas, uma caracterização de cada uma destas tecnologias (incluindo uma análise SWOT de cada uma), uma comparação direta entre todas as tecnologias e finalmente uma avaliação da capacidade de cada tecnologia para substituir diretamente a tecnologia mais instalada (caldeira tradicional). Na segunda parte desta dissertação de mestrado foram realizadas análises energéticas e exergéticas para quatro configurações. A primeira configuração é a combinação de uma caldeira de condensação, considerada a melhor tecnologia na secção anterior, e um motor térmico. As restantes configurações são variantes da tecnologia micro-CHP ORC, considerada na secção anterior como a maior ameaça às caldeiras num futuro próximo. As análises energéticas realizadas avaliam a eficiência térmica e elétrica das configurações, determinam o input térmico e o output elétrico necessários, e quantificam a poupança de energia primária associada ao funcionamento normal de cada sistema. As análises exergéticas resumem-se à determinação da exergia destruída durante o funcionamento normal de cada configuração e a sua eficiência de acordo com a segunda lei da termodinâmica.Por fim, pode concluir-se que as caldeiras tradicionais ainda são o equipamento mais instalado na UE para suprimir as necessidades de água quente para fins domésticos e/ou para aquecimento de espaços. Contudo, esta tecnologia encontra-se ameaçada pela sua evolução tecnológica direta, a caldeira de condensação, e por duas tecnologias inovadoras, as bombas de calor e os sistemas de micro-CHP. No entanto, verificou-se que os equipamentos mais adequados para substituir diretamente uma caldeira tradicional são as caldeiras de condensação e os sistemas de micro-CHP ORC. A nível energético e exergético, verificou-se que a variante híbrida dos sistemas de micro-CHP ORC obtém os melhores resultados na maioria dos parâmetros analisados, sendo assim um equipamento melhor para fornecer água quente para fins domésticos e para aquecimento de espaços do que as outras variantes dos sistemas de micro-CHP ORC analisados e do que a combinação de uma caldeira de condensação e um motor térmico para produção combinada de calor e energia.