Contributions to the decarbonisation of the EU building stock by the upgrade of its heating & cooling facilities

Abstract

The decarbonisation of buildings has become key to meet the targets of several energy related policies, being the main one the Green Deal, which has stablished that the EU should be carbon neutral by 2050. The aim of this work is to provide insights that can help the decision making in the decarbonisation of the EU building stock, making emphasis in its heating and cooling facilities. The electrification of the heating demand through the use of heat pumps is a common solution adopted in the building sector to substitute fuel-based heating systems, like boilers. In the last few years, the installation of heat pumps to substitute gas boilers has increased. The main issue, that most of the end users do not take into account, are the different working conditions of heat pumps and boilers. If a facility has been calculated and sized to provide the heating demand at specific water production temperatures, it won't work if these temperatures are lower, unless some conditions are meet. One line of research explores the barriers that the downgrade of the water temperatures in the facility could make and how to overcome them. Issues with the current indoor units' surface, due to the lower temperatures, or the higher water pressure drop, due to the higher water flow, can be the key to understand if the installation of heat pumps is feasible. In most of the cases, a previous building retrofit is essential to make the building "low-temperature" ready. If building retrofits cannot be performed, then the installation of heat pumps that work at 45/50°C is challenging. In the second line of research, we explore the possibilities of installing low-carbon technologies without downgrading the water supply temperature. The technologies covered are hybrid and high-temperature heat pumps. The procedure followed to decarbonise buildings is usually seen as changing a boiler with a heat pump. Having a boiler is not the case in buildings located in Mediterranean areas that have a much higher cooling than heating demand. The third line of research explores the possibilities to decarbonise 100% electrified buildings that are located in Mediterranean areas. In this line of research, we explore what type of solutions can be applied this type of buildings with a case study. The work done in this doctoral thesis covers different types of buildings located in specific areas of the EU. This means that it covers a wide range of decarbonisation strategies, which depend on the location of buildings and the heating and cooling systems used.

La descarbonización de los edificios se ha convertido en la clave para cumplir los objetivos de varias políticas relacionadas con la energía, siendo la principal el Green Deal, que ha establecido que la UE debe ser neutra en carbono para 2050. El objetivo de este trabajo es proporcionar información que pueda ayudar a la toma de decisiones en la descarbonización de los edificios de la UE, haciendo hincapié en sus instalaciones de calefacción y refrigeración. La electrificación de la demanda de calefacción mediante el uso de bombas de calor es una solución comúnmente adoptada en el sector de los edificios para sustituir los sistemas de calefacción basados en combustibles, como las calderas. En los últimos años ha aumentado la instalación de bombas de calor para sustituir a las calderas de gas. El principal problema, que la mayoría de los usuarios finales no tiene en cuenta, son las diferentes condiciones de funcionamiento de las bombas de calor y las calderas. Si una instalación se ha calculado y dimensionado para proporcionar la demanda de calefacción a unas temperaturas de producción de agua determinadas, no funcionará si estas temperaturas son inferiores, a menos que se cumplan algunas condiciones específicas. Una línea de investigación explora las barreras que podría suponer el descenso de las temperaturas del agua en la instalación y cómo solucionarlas. Los problemas con la superficie de las unidades interiores actuales, debidos a las temperaturas más bajas, o la mayor caída de presión del agua, debida al mayor caudal de agua, tienen una gran importancia para entender si la instalación de bombas de calor es viable. En la mayoría de los casos, para que el edificio sea declarado "Apto para bajas temperaturas" es esencial que se haya realizado previamente una reforma del edificio. Si no es posible renovar el edificio, la instalación de bombas de calor que funcionen a 45/50 °C puede llegar a ser casi imposible en muchos casos. En la segunda línea de investigación, exploramos las posibilidades de instalar tecnologías de baja emisión de carbono que trabajen en el mismo nivel de temperatura que los sistemas de calefacción a reformar. Las tecnologías contempladas son las bombas de calor híbridas y de alta temperatura. El procedimiento seguido para descarbonizar los edificios suele consistir en cambiar una caldera por una bomba de calor. No es el caso de los edificios situados en zonas mediterráneas, cuya demanda de refrigeración es mucho mayor que la de calefacción. La tercera línea de investigación explora las posibilidades de descarbonizar edificios 100% electrificados que estén situados en zonas mediterráneas. En esta línea de investigación, exploramos qué tipo de soluciones pueden aplicarse a este tipo de edificios con un estudio de un caso. El trabajo realizado en esta tesis doctoral abarca diferentes tipos de edificios situados en varias zonas de la UE. Además, abarca una gama variada de estrategias de descarbonización, que dependen de la ubicación de los edificios y de los sistemas de calefacción y refrigeración utilizados.