Study of two renewable heating and cooling systems for nearly zero-energy houses. Energy, environmental and economic analysis

The present work shows the results of a comparison between two systems that provide heating, cooling and domestic hot water (DHW) preparation for a nearly zero-energy house. The building has been modelled, referring to Italian regulations and requirements about nearly zero-energy buildings. The two analysed systems are called ‘Electricity-driven system’ and ‘Thermally-driven system’. The first one consists of a vapour-compression air-to-water heat pump, solar thermal collectors for DHW preparation and PV panels that, together with electricity from the grid, move the system. The second one consists of an innovative absorption heat pump driven by either solar thermal collectors or a natural gas auxiliary heater, where collectors provide also heat for the DHW preparation. The choice of these two systems is for the dependence on different energy sources. The electricity-driven system, that is the more traditional one, receives electric energy from both PV modules and from the electric grid but, being that the highest production of electric energy from PV field is in summer months and the highest demand of electric energy is in winter months, the balancing with the electric grid is not optimal. Here the need to develop an innovative system driven mostly by thermal energy coming from either an auxiliary heater or solar thermal collectors. The thermally-driven system is a more theoretical one and an entire plant configuration has been developed starting from the modelling and the performance evaluation of an innovative absorption cycle suitable for residential application, called semi-GAX. Annual simulations of the two systems have been carried out with the software TRNSYS and comparisons have been performed through energy, environmental and economic point of views, computing the non-renewable primary energy (PE_nren), CO2 emissions and the levelized cost of heating and cooling (LCOHC) for both the systems, comparing them to a reference one, constituted by a natural gas boiler for heating and DHW preparation and a vapour-compression machine driven by an electric motor for cooling.

Il presente elaborato di tesi mostra il confronto tra due sistemi che forniscono riscaldamento, raffrescamento e preparazione di acqua calda sanitaria (ACS) per una casa a energia quasi zero. L'edificio è stato modellato riferendosi alla regolamentazione italiana e ai requisiti relativi a un edificio a energia quasi zero. I due sistemi analizzati sono chiamati "sistema a elettricità" e “sistema termico”. Il primo consiste in una pompa di calore aria / acqua a compressione di vapore, collettori solari termici per la preparazione di ACS e pannelli fotovoltaici che, insieme all'elettricità proveniente dalla rete, muovono il sistema. Il secondo è costituito da un'innovativa pompa di calore ad assorbimento azionata o da collettori solari termici o da caldaia ausiliaria a gas naturale, in cui i collettori forniscono anche calore per la preparazione di ACS. Il confronto è stato fatto per evidenziare le differenze tra due sistemi che dipendono principalmente da fonti diverse di energia. Il sistema elettrico, più tradizionale, riceve energia elettrica sia da moduli fotovoltaici che dalla rete elettrica, ma, essendo che la produzione di energia elettrica dal campo fotovoltaico è più alta nei mesi estivi e la maggiore richiesta di energia elettrica è nei mesi invernali, il bilanciamento con la rete elettrica non è ottimale. Qui la necessità di sviluppare un sistema innovativo alimentato principalmente da energia termica proveniente da collettori solari termici e da una caldaia ausiliaria. Il sistema termico è più teorico rispetto a quello elettrico: un'intera configurazione di impianto è stata sviluppata a partire dalla modellizzazione e dalle analisi delle prestazioni di un innovativo ciclo ad assorbimento adatto all'applicazione nel settore residenziale, chiamato semi-GAX. Simulazioni annuali dei due sistemi sono state condotte attraverso il software TRNSYS e sono stati effettuati confronti dal punto di vista energetico, ambientale ed economico, calcolando l'energia primaria non rinnovabile, le emissioni di CO2 e il costo di riscaldamento e raffreddamento per fonte (LCOHC) per entrambi i sistemi, confrontandoli con un sistema di riferimento composto da una caldaia a gas naturale per riscaldamento e ACS e da una macchina a compressione di vapore alimentata da un motore elettrico per il raffrescamento.