Διήμερο Περιβαλλοντικής Ενέργειας Εξοικονόμηση Ενέργειας σε κτήρια ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Αντλίες Θερμότητας Heat pumps Athens November 2012 1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Χαλκίδας ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ενεργειακών και Περιβαλλοντικών Ερευνών Ψυκτικών Διατάξεων – Κλιματισμού & Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας Μιχάλης Γρ. Βραχόπουλος, Καθηγητής 2 Renewable’s/1 3 Αναγκαιότητα Οι ενεργειακές ανάγκες συνεχώς γίνονται μεγαλύτερες (ανά κάτοικο)!!! Ο πληθυσμός του πλανήτη συνεχώς μεγαλώνει!!! Τα συνήθη – συμβατικά καύσιμα μειώνονται!!! 4 Αναγκαιότητα Η διαχείριση της ενέργειας έχει πολλές – πάρα πολλές απώλειες!!! Από την ενέργεια που παίρνει ο κάθε ένας αξιοποιεί ένα μικρό ποσοστό (κάτω του 15%) Η σπατάλη ενέργειας είναι επικίνδυνη!!! 5 ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ (ΟΡΥΚΤΑ )ΚΑΥΣΙΜΑ Πετρέλαιο, Άνθρακας και Λιγνίτης αν εξετάσει κανείς συνολικά τα ορυκτά καύσιμα : ► ► ► ► τελειώνουν τα αποθέματα τους. οι τιμές τους έχουν σταθερά ανοδική πορεία. ρυπαίνουν το περιβάλλον παράγουν αέρια του θερμοκηπίου που οδηγούν σε κλιματικές αλλαγές. 6 ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΥΔΑΤΙΚΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΒΙΟΜΑΖΑ Δυναμικό: εκατοντάδες (ή και χιλιάδες) MW 7 Η περιβαλλοντική ενέργεια: Εγκιβωτισμένη στον Αέρα …. (που αναπνέουμε) Στη γη ….. (που πατάμε) Στο νερό ….. (που πίνουμε ή που λουόμαστε) Η πλέον ανανεώσιμη ενέργεια: 8 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ/ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Ελλάδα Ηλιοφάνεια Η μεγαλύτερη Στην Ευρώπη Ισχυροί άνεμοι στα νησιά του Αιγαίου Κυρίως Θέρμανση υδάτων Συνεισφορά 10% και πλέον στην παραγωγή Ηλεκτρισμού Υφιστάμενες και Υπό ανέγερση κατοικίες Αξιόλογο Γεωθερμικό Δυναμικό Υψηλής Θερμοκρασίας ~300MWe σταθμών παραγωγής Ηλεκτρισμού Χαμηλής Θερμοκρασίας Πελώριες ποσότητες θερμότητας και μικρή παραγωγή ηλεκτρισμού Ικανό υδροδυναμικό – υδάτινο δυναμικό Δίδει περί τις 4000GWh Βιομάζα Σημαντικές ποσότητες από διαχείριση αποβλήτων Εφαρμογή Παθητικών Συστημάτων 9  Είναι πρακτικά ανεξάντλητες Δεν έχουν συγκεντρωμένη κατανομή, (τόπος, ...) Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη Έχουν σχετικά χαμηλό κόστος λειτουργίας και δεν επηρεάζονται από τη διακύμανση της Διεθνούς Οικονομίας και την τιμή των καυσίμων Δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας (επενδύσεις) σε τοπικό επίπεδο Γρήγορη κατασκευή Πυρήνας αναζωογόνησης Οικονομικά και Κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλος για την τοπική ανάπτυξη (λ.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με γεωθερμική ενέργεια) Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο 10 Αντλίες Θερμότητας Η αντλία θερμότητας είναι συσκευή που έχει τη δυνατότητα επέμβασης στον κύκλο ψύξης του συστήματος, έτσι ώστε να δίνει άλλοτε ζεστό και άλλοτε κρύο αέρα (νερό ή ότι άλλο) , ανάλογα με τις κλιματιστικές ανάγκες του χώρου Η αρχή λειτουργίας της είναι η ίδια που εφαρμόζεται και στα ψυγεία, όπου η θερμότητα μεταφέρεται από το χώρο του ψυγείου (λ.χ. 5°C) στο χώρο του περιβάλλοντος (λ.χ. 28°C), ή στις κλιματιστικές συσκευές παραθύρου, με τις οποίες η θερμότητα μεταφέρεται από το δωμάτιο (λ.χ. 25°C) στο ύπαιθρο (λ.χ. 38°C). 11 Αντλίες Θερμότητας Οι αντλίες θερμότητας είναι συσκευές που απορροφούν χρήσιμη θερμότητα από ψυχρό περιβάλλον, το χειμώνα και την αποδίδουν ως χρήσιμη θερμότητα σε υψηλή θερμοκρασία καταναλώνοντας μικρή ποσότητα ηλεκτρισμού. Σε πολλές περιπτώσεις η Α.Θ. απορροφά θερμότητα από τον αέρα περιβάλλοντος, εδαφικό ή υπόγειο νερό. Το περιβάλλον πολλές φορές μπορεί να έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από 15°C. Οι Α.Θ. συνδυάζονται με συστήματα αερισμού σε ενσωματωμένα συστήματα ανάκτησης θερμότητας ή 12 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θερινό κλιματισμό. Γιατί Αντλίες θερμότητας? Τα κτήρια συνεχώς γίνονται ποιο οικονομικά λόγω της σημαντικής βελτίωσης της μόνωσης τους αλλά και των εσωτερικών τους εγκαταστάσεων Σε αυτή την περίπτωση οι μονάδες παραγωγής θερμότητας μπορεί να λειτουργήσουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κάτι που κάνει σημαντική την ανάπτυξη των Α.Θ. Άντληση θερμότητας – Ψύξη, διάγραμμα SANKEY Θερμό Θερμοδοχείο Th Q2 Q2 ΨΜ W W (έργο) Q1 Q1 Ψυχρό Θερμοδοχείο Τc Q1 W  Q2 14 Άντληση θερμότητας – Ψύξη με απορρόφηση, διάγραμμα SANKEY Θερμό Θερμοδοχείο Th Q2 ΨΜ Q T Q1 Ψυχρό Θερμοδοχείο Tc Q1  Q  Q2 15 Τα βασικά μέρη της αντλίας θερμότητας είναι :  Το τμήμα συμπιεστή* - συμπυκνωτή, που απορρίπτει θερμότητα στο περιβάλλον* (ή τον εσωτερικό χώρο). Το τμήμα ανεμιστήρα - ατμοποιητή, που απορροφά θερμότητα από τον εσωτερικό χώρο (ή το περιβάλλον**). Ο μηχανισμός αντιστροφής, που αποτελείται από μια τετράοδη βαλβίδα, η οποία μετατρέπει τον ψυκτικό κύκλο, σε θερμαντικό και αντίστροφα. Οι αυτοματισμοί για τον έλεγχο και λειτουργία του συστήματος θέρμανσης ή ψύξης. και Η συμπληρωματική ηλεκτρική αντίσταση, που αυξάνει τη θερμική απόδοση του συστήματος, όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή. *Συμπιεστής: μηχανικός ή θερμικός **περιβάλλον: ορίζεται ο χώρος απόρριψής της θερμότητας ή απορρόφησής της προς χρήση 16 Κύκλος θερμαντλίας (ΑΘ) σε ψύξη Κύκλος θερμαντλίας σε θέρμανση 17 Η ιδανική αντλία θερμότητας. Η λειτουργία της αντλίας θερμότητας στηρίζεται στην αρχή λειτουργίας της ψυκτικής μηχανής του Carnot Η πραγματική στου Brayton, Ο ενεργειακός ισολογισμός δίνει: Q1  Q2  W Η ποιότητα της αντλίας θερμότητας χαρακτηρίζεται από το συντελεστή συμπεριφοράς (επίδοσης) COP COPΑΘ (= Coefficient of performance)   Q Q 2 2 COPAΘ= =  Q  W Q 2 1 18 Λειτουργία της Α.Θ. Ως εκ τούτου η ΑΘ μεταφέρει την θερμότητα από το περιβάλλον σε ένα επίσης θερμοδοχείο που είναι το κτήριο και που οι ανάγκες του είναι σε κάποιο επίπεδο θερμοκρασίας Οι βασικές γνώσεις μας ενημερώνουν ότι η θερμότητα ρέει ακριβώς αντίθετα….. Στις ΑΘ μικρή κατανάλωση έργου επιφέρει αντίστροφη μεταφορά θερμότητας Η αποτελεσματικότητα, ονομάζεται παράγων λειτουργίας ή παράγων πολλαπλασιασμού θερμότητας COP  qout W Θερμότητα στον προς θέρμανση χώρο Qout HP W Qin Περιβαλλοντική Θερμότητα Εξωτερικό έργο Διαγράμματα με άεργη εκτόνωση (περιοχή υγρού ατμού) 20 Αντλίες Θερμότητας Tconden. Θερμό θερμοδοχείο Μηχανικό έργο W Tsteamer Ψυχρό θερμοδοχείο Εύκολα γίνονται δυο παρατηρήσεις για τον παράγοντα ψυκτικής απόδοσης eerhp και το συντελεστή συμπεριφοράς: COP*hp 1.Για την ίδια θερμοκρασιακή διαφορά Τcond-Τst ο eerhp και COP*hp βελτιώνεται όσο χαμηλότερης στάθμης είναι η θερμοκρασία Τcond. 2.Όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά (Τc-Τst) μεταξύ του κλιματιζόμενου και του εξωτερικού χώρου, τόσο μεγαλύτερος είναι ο eerhp και COP*hp. 21 Απόδοση Α.Θ. Το πραγματικό COPs της ΑΘ (HP) είναι 50% έως 70% μικρότερο του θεωρητικού, ωστόσο είναι υψηλότερο όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος απορρόφησης θερμότητας! Και χαμηλότερη η θερμοκρασία χρήσης! (απόρριψη θερμότητας) Θερμότητα Χρήσης Qout (kWh) a b Θερμότητα Πηγής W (kWh) Παράδειγμα: COP εμπορικής HP. Πραγματικό COP (= Qout/W) είναι: a) 4,03 και b) 2,25. Απόδοση Α.Θ., θέρος Στην περίπτωση αυτή αντλείται θερμότητα από τον χώρο και απορρίπτεται στο περιβάλλλον Η αποτελεσματικότητα, τώρα ορίζεται από το λόγο της απορροφούμενης από τον χώρο θερμότητας, προς το καταναλισκόμενο έργο, q eer  in W Η σχέση που δίδει την απόδοση κατά το θέρος (σε ψύξη) δηλαδή το eer Απορριπτόμενη στο περιβάλλον θερμότητα Qout HP W Qin Μεταφερόμενη θερμότητα από εσωτερικό περιβάλλον (χώρο) Έργο Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. Συμπιεστής Συμπιέζει και θερμαίνει το ΨΜ; Απορροφά Ηλεκτρισμό Άεργος Εκτονωτική Βαλβίδα Μειώνει την πίεση και την θερμοκρασία Συμπυκνωτής Το ΨΜ έχει υψηλή θερμοκρασία προς άλλ Ατμοποιητής (Ατμοποιεί σε χαμηλή θερμοκρασία) πηγή θερμότητας Αξιοποίηση Θερμότητας Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. και συσκευές Συμπιεστής Συμπιέζει και θερμαίνει το ΨΜ! Απορροφά Ηλεκτρισμό Άεργος Εκτονωτική Βαλβίδα Μειώνει την πίεση και την θερμοκρασία Συμπυκνωτής Το ΨΜ έχει υψηλή θερμοκρασία προς άλλ Ατμοποιητής (Ατμοποιεί σε χαμηλή θερμοκρασία) πηγή θερμότητας Αξιοποίηση Θερμότητας Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. και Πιέσεις – Θερμοκρασίες Λειτουργίας Αξιοποίηση Θερμότητας πηγή θερμότητας p=1,5 bar t=5°C p=14 bar t=70°C p=1,5 bar t=5°C Υγρό/ Αεριο p=1,5 bar t=0°C p=1,5 bar Τ=0°C Αέριο p=14 bar t=55°C p=14 bar t=50°C p=14 bar T=50°C Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με το μέσο από όπου αντλείται και το μέσο όπου αποβάλλεται η θερμότητα, οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται: Αέρα-Αέρα (Α – Α) Αέρα-Νερού (Α – Ν) Νερού-Νερού (Ν – Ν) Νερού-Αέρα (Ν – Α) Εδάφους-Αέρα (Ε – Α) Εδάφους-Νερού (Ε - Ν) 27 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με το είδος της κινητήριας μηχανής, οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται σε 3 κατηγορίες:  Ηλεκτροκίνητοι συμπιεστές.  Συμπιεστές κινούμενοι από μηχανές εσωτερικής καύσης (πετρέλαιο, ατμός, αέριο κ.λπ.).  «Συμπιεστές» απορρόφησης και προσρόφησης (θερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας). 28 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με τη θέση των διαφόρων μηχανισμών της αντλίας θερμότητας διακρίνονται δύο κατηγορίες:  Ενιαίες ή αυτόνομες (Compact). Όλοι οι μηχανισμοί βρίσκονται σε κοινό κέλυφος,  ∆ιμερείς (Split units). Ο ατμοποιητής (ή ο συμπυκνωτής) είναι ανεξάρτητος του υπόλοιπου συστήματος. 29 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με τον τρόπο αναστροφής της λειτουργίας τους οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε δύο κατηγορίες:  Σταθερού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η ροή του ψυκτικού μέσου διατηρείται σταθερή και αλλάζει η θέση των μέσων προσαγωγής ή απαγωγής της θερμότητας.  Μεταβλητού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η αναστροφή της ροής του ψυκτικού μέσου γίνεται με χρήση τετράοδης βαλβίδας. 30 Αντλίες Θερμότητας Αέρα-Αέρα Νερού-Νερού Αέρα-Νερού 31 Αντλίες Θερμότητας Παράδειγμα κύκλου αντλίας θερμότητας με R-12 (κατηργημένο) 32 Αντλίες Θερμότητας Οι βαθμοί απόδοσης που υπεισέρχονται στην ενεργειακή μελέτη της ΑΘ του σχήματος είναι: h 2  h1 391 363   0,66 1. Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης = h 2  h1 405 363 2.Συντελεστής COP κύκλου = 3.Ογκομετρικός βαθμός απόδοσης h 2  h3 405 280   2,976 h 2  h1 405 363 nv = 0,95. •Αφορά την ικανότητα του συμπιεστή να αξιοποιεί τον εμβολιζόμενο όγκο του. 4.Μηχανικός βαθμός απόδοσης συμπιεστή: nm = 0,95. 5.Συντελεστής COP (COA) της ΑΘ, είναι ίσος με το γινόμενο του θεωρητικού COP και του βαθμού απόδοσης του συμπιεστή δηλαδή: •COPef = COPth x nm = 2,976 . 0,95 = 2,82. •Συντελεστής COP* του θεωρητικού κύκλου CARNOT COP*  Tsteamer 15* 273   4,96 Τcondenser Τ steamer 73 273  15 273 33 Αντλίες Θερμότητας Οι θερμοκρασίες του R-12* μέσα στο συμπυκνωτή και τον ατμοποιητή είναι αντίστοιχα 73οC και 15oC. Στην πράξη, στις ΑΘ, χρησιμοποιείται ψυκτικό μέσο R-22** σχεδόν σε όλες τις εφαρμογές. Ο συμπυκνωτής θερμαίνει το ρευστό, που κυκλοφορεί έπειτα στον προς θέρμανση χώρο (π.χ. Δωμάτιο, νερό δικτύου θέρμανσης κ.λπ.). Το ρευστό αυτό έχει θερμοκρασία, λ.χ.: Tc - ΔΤC = 73 - 12 = 61oC *R-12: σήμερα R-134a **R-22 : σήμερα R-407c,410a et 34 Αντλίες Θερμότητας Ο ατμοποιητής ψύχει τον αέρα του περιβάλλοντος, ο οποίος έχει θερμοκρασία κοντά στον ανεμιστήρα του ατμοποιητή: Tst + ∆Τst= 15 + 8 = 23oC Οι παράμετροι ΔΤC και ΔΤst εξαρτώνται βασικά από τις διαστάσεις, την επιφάνεια και την ταχύτητα του ανεμιστήρα (παροχή αέρα ή νερού) του συμπυκνωτή και ατμοποιητή αντίστοιχα. 35 ∆ιμερής μονάδα (Split unit) αντλίας θερμότητας Οι μικρές κλιματιστικές μονάδες διμερούς τύπου, είναι οι πλέον διαδεδομένες μονάδες θέρμανσης και ψύξης, για μικρούς, κυρίως, χώρους (π.χ. κατοικίες και μικρούς επαγγελματικούς χώρους). Βασίζονται στην αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας αέρα - αέρα Η κλιματιστική μονάδα αποτελείται από τα εξής βασικά μέρη:  Το συμπιεστή  Το συμπυκνωτή  Τον ατμοποιητή/εξατμιστή και  Την τετράοδη βαλβίδα αντιστροφής. 36 Αντλίες Θερμότητας Ο κύκλος λειτουργίας κατά το θέρος είναι ο ίδιος με τον κύκλο ψύξης. Το χειμώνα, ο κύκλος αντιστρέφεται και η θερμότητα που το σύστημα αντλεί από το εξωτερικό περιβάλλον (λχ αέρα), αποδίδεται στον εσωτερικό χώρο (αέρα), αφού ο εναλλάκτης που λειτουργούσε σαν ατμοποιητής, λειτουργεί πλέον σαν συμπυκνωτής και ο εναλλάκτης που λειτουργούσε σαν συμπυκνωτής λειτουργεί σαν ατμοποιητής. Με τη χρήση της βαλβίδας αντιστροφής (τετράοδης), η κλιματιστική μονάδα μπορεί να θερμάνει ή να ψύξει τον εσωτερικό χώρο (αέρα), η δε ροή του ψυκτικού μέσα από το συμπιεστή, είναι πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Ο κύκλος λειτουργίας της μονάδας για την ψύξη και για τη θέρμανση, παρουσιάζεται στα παρακάτω σχήματα, αντίστοιχα. 37 Αντλίες Θερμότητας ατμοποιητής Περιγραφή του κύκλου λειτουργίας αντλίας θερμότητας κατά το θέρος, για την ψύξη του εσωτερικού αέρα 38 Αντλίες Θερμότητας ατμοποιητής Περιγραφή του κύκλου λειτουργίας αντλίας θερμότητας το χειμώνα, για τη θέρμανση του εσωτερικού αέρα. Οι μονάδες διμερούς τύπου διαχωρίζουν τις επιμέρους συσκευές και εξαρτήματα του κυκλώματος σε μια εσωτερική και σε μια εξωτερική μονάδα, οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους με τους 39 δυο σωλήνες όπου ρέει το ψυκτικό ρευστό. Αντλία θερμότητας με θέρμανση επιφανείας Η θερμαντλία αντλεί θερμότητα από το έδαφος και θερμαίνει νερό (π.χ. σε 35°C) το οποίο στη συνέχεια κυκλοφορεί μέσα σε επιφανειακό σύστημα θέρμανσης, που ως γνωστό διαχέει τη θερμότητα προς το θερμαινόμενο χώρο εύκολα. Το έδαφος, σαν πηγή θερμότητας, έχει το πλεονέκτημα να διατηρεί ετησίως περίπου σταθερή θερμοκρασία. Αντλία θερμότητας με θέρμανση δαπέδου 40 Αντλία θερμότητας και γεωθερμία Το μηχανοστάσιο των αντλιών θερμότητας που θερμαίνουν δύο (2) πολυκατοικίες, αντλεί θερμική ενέργεια από τρεις γεωτρήσεις γεωθερμικού πεδίου. Η γεωθερμική ενέργεια θερμαίνει τον ατμοποιητή του συστήματος των θερμαντλιών. Αντλίες θερμότητας και γεωθερμία 41 Αντλία Θερμότητας συζευγμένη με κεντρική θέρμανση Η αντλία θερμότητας έχει συνδεθεί σε σειρά με κεντρική θέρμανση, με σκοπό τη θέρμανση της κατοικίας. Η ΑΘ είναι συστήματος αέρα/νερού, λειτουργεί σαν φορτίο βάσης, χωρίς η κεντρική θέρμανση να λειτουργεί “Αντλία Θερμότητας δίπλα σε κεντρική θέρμανση” 42 Σε περίπτωση υγρού και ψυχρού κλίματος, Ο~6° C, τότε δημιουργείται πάγος και μειώνεται χαρακτηριστικά η απόδοση Ο εξαερισμός, είναι μια κοινή πηγή θερμότητας σε εμπορικά κτήρια εφόσον κατά τη διάρκεια της περιόδου θέρμανσης ή όλο το χρόνο, απαιτείται συνεχής λειτουργία του συστήματος εξαερισμού. Για μεγάλα κτήρια κaι αντλίες θερμότητας αέρα χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με μονάδες ανάκτησης θερμότητας στον αέρα. HP and heat storage Ατμοσφαιρικός αέρας είναι δωρεάν και ευρέως διαθέσιμος. Είναι η πιο κοινή πηγή θερμότητα για αντλίες θερμότητας. Η Α.Θ. αέρα, επιτυγχάνει κατά μέσο όρο 10-30% μικρότερη εποχιακή απόδοση παράγοντα (SPF) από Α.Θ. νερού. Αυτό οφείλεται κυρίως η ταχεία μείωση της χωρητικότητας και της απόδοσης με μειούμενες τις περιβαλλοντικές θερμοκρασίες. Η διαφορά οφείλεται στη σχετικά υψηλή θερμοκρασία του εξαερωτήρα και η ενέργεια που χρειάζεται για τις διατάξεις εξουδετερώσεως του εξαερωτήρα και να λειτουργούν οι ανεμιστήρες. Evaporator Πληροφορίες για πηγές θερμότητας που χρησιμοποιούνται συχνότερα Διαστασιολόγηση Α.Θ. HP για DHW Πηγή θερμότητας: Ατμοσφαιρικός Αέρας Θερμική Ισχύς: 2kW έως 15 kW COP: ~ 4 Λειτουργία: όλο το έτος Εναλλακτικά συστήματα: Συνδυασμός με ηλιακή θερμική σύστημα θέρμανσης, και συνδυασμός με σύστημα εξαερισμού Οικονομική ανάλυση αντλίας θερμότητας Εφαρμογή: Το κόστος αγοράς αερίου καυσίμου είναι 1,2€/kg, θερμογόνου δυνάμεως Ηu=45.000 kJ/kg και το δε κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι 0,18€/kWh έως 0,25€/kWh. Εάν ο συντελεστής πολλαπλασιασμού της αντλίας θερμότητας, κινούμενης από ηλεκτροκινητήρα, είναι COP =3, να συγκριθεί το κόστος λειτουργίας αυτής με μία εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης που χρησιμοποιεί το παραπάνω αέριο καύσιμο και παρουσιάζει βαθμό απόδοσης 0,90. Απάντηση: Θυμίζω, ότι 1kWh (=861,24 kcal) =3600kJ. Ονομάζεται περίπτωση (α) η θέρμανση της κατοικίας με αέριο και περίπτωση (β) η θέρμανση με αντλία θερμότητας: Περίπτωση (α): Το κόστος της καταναλισκόμενης ενέργειας είναι: c P1 1,2 €   10,67103 € kwh n  Hu 0,9  45000 kWh 3600 όπου:Ρ1= το κόστος του αερίου, €/kg n = ο βαθμός απόδοσης της καύσης Ηu= η θερμογόνος δύναμη του αερίου, kJ/kg 45 Περίπτωση β: Το κόστος της καταναλισκόμενης ενέργειας είναι: c P2 0,18 €   6,0 103 € kwh COP 3 kWh c όπου: P2 0,25 €   8,3103 € kwh COP 3 kWh Ρ2 = το κόστος της ηλεκτρικής kWh σε €./kWh COPΑΘ = ο συντελεστής πολλαπλασιασμού της ΑΘ. Συμπέρασμα: Είναι προφανές ότι η ΑΘ κάνει εξοικονόμηση χρημάτων από 43% έως 22% περίπου. 46 Evaporative Condenser Όταν συνδυαστεί άμεσα ο συμπυκνωτής δημιουργείται ο συμπυκνωτής με εξάτμιση. με πύργο ψύξης τότε Το ψυκτικό ρευστό υγροποιείται μέσα στους σωλήνες του στοιχείου συμπύκνωσης το εξωτερικό του οποίου διατηρείται συνεχώς υγρό με τη βοήθεια εκτοξευόμενου νερού που επανακυκλοφορεί. Η θερμότητα συμπύκνωσης αποβάλλεται με μορφή αισθητού και λανθάνοντος φορτίου στον αέρα. Η ικανότητα συμπύκνωσης σε συμπυκνωτές αυτού του είδους μπορεί να μεταβληθεί, με μεταβολή της θερμοκρασίας υγρού βολβού του εισερχόμενου αέρα ή με μεταβολή της θερμοκρασίας συμπύκνωσης. Σ’ αυτή τη περίπτωση η θερμοκρασία συμπύκνωσης κυμαίνεται μεταξύ 3046oC. (από 43-60oC) 47 Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι ένα τυπικό μίγμα ξηρού αέρα και νερού. Η μερική πίεση του νερού στο μίγμα στην μέγιστή της τιμή ονομάζεται πίεση κορεσμού(psat). Ο εσωτερικός αέρας, αλλά και ο εξωτερικός πολλάκις δεν είναι κορεσμένος. Ως εκ τούτου, το νερό είναι σε πίεση μικρότερη από τον κορεσμό και ίση με pi. Σχετική υγρασία είναι η σχέση: P φ  i *100% Psat Ως απόλυτη υγρασία xορίζεται η κατά μάζα αναλογία νερού και ξηρού αέρα: kgw x kgda Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Η εξάτμιση νερού στον αέρα, δημιουργεί μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας και οδηγεί σε ισοδύναμες ευθείες τις ισοθερμοκρασιακές υγρού βολβού Η θερμοδυναμική κατάσταση του αέρα μπορεί να παρουσιαστεί σε διάγραμμα Mollier T-x ή όπου εμφανίζονται τα αριθμητικά στοιχεία ψυχομετρικών μεγεθών. Η εξατμιστική ψύξη επιτυγχάνεται υπό σταθερή ενεργειακή κατάσταση του αέρα(h = cont). Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Παράδειγμα: Εάν 4 γραμμάρια νερού εξατμισθούν σε 1 kg ακόρεστου αέρα που έχει θερμοκρασία T1 29°C και σχετική υγρασία 1 30%, τότε η θερμοκρασία του μεταβάλλεται? Σε: T2 19°C x Evaporative Condenser - Refrigeration Στην περίπτωση της εξατμιστικής ψύξης η προσέγγιση των συνθηκών λειτουργίας ορίζεται από την επιτυγχανόμενη προσέγγιση της θερμοκρασίας στο όριο της θερμοκρασίας υγρού βολβού. Αυτό, κατά την θερινή βεβαίως περίοδο, επιφέρει μείωση των απαιτήσεων τόσο σε επίπεδο πίεσης λειτουργίας της ψυκτικής διάταξης όσο και σε επίπεδο μέγιστων θερμοκρασιών. Προσέγγιση θερμοκρασίας κατά την εξατμιστική ψύξη 51 Evaporative Condenser - Refrigeration 17,5bar dPbe 11,5bar f 5bar dhbef,st dhafter,st dPafter dhbef,c dhafter,c Επίδραση της εξάτμισης στον Συμπυκνωτή 52 Evaporative Condenser – Refrigeration Air Conditioning Σύστημα εξατμιστικής ψύξης 53 Συσκευές Εξατμιστικής ψύξης, άμεσης!? Δίπλα σε φυτά ή με συσκευές εξάτμισης ο αέρας μπορεί να ψύχεται σημαντικά. Βεβαίως πρέπει να εξασφαλισθεί η πλήρης εξάτμιση του αέρα Συσκευές Εξατμιστικής ψύξης Μονάδα χειρισμού αέρα με ολοκληρωμένη εξάτμιση νερού ψύξης απεικονίζεται στο σχήμα (Εταιρεία Menerga) Η Απόδοση ψύξης λόγω εξάτμισης εξαρτάται κυρίως από το τοπικό κλίμα (και τη παροχή αέρα), το μέγεθος του εναλλάκτη θερμότητας και την απόδοση του υγραντή (humidifier). Αποδόσεις Εξατμιστικής Ψύξης Συνολική αποτελεσματικότητα της εξατμιστικής ψύξης παρουσιάζεται στο γράφημα για μια θέση με ένα ήπιο θέρος. Συνάγεται ότι η εξατμιστική ψύξη είναι πιο αποτελεσματική κατά την πιο καυτή περίοδο του έτους. Αυτό είναι ένα τέλειο για το «ξύρισμα αιχμής» της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν. Ως εκ τούτου, η εξατμιστική ψύξη πρέπει να χρησιμοποιείται κάθε φορά αν είναι κατάλληλες κλιματικές συνθήκες. Αυτή η τεχνική της διατήρησης της ενέργειας ήδη είναι υποχρεωτική, και ορισμένες χώρες –Ηνωμένες Πολιτείες, Συσκευές Ηλιακής Ψύξης θερμικά ηλιακά συστήματα που αναβαθμίζονται σε συστήματα που χρήση/μετατρέπει θερμική ενέργεια σε ψυκτική. Τεχνολογίες και εφαρμογές για την ψύξη/air-κλιματισμού των κτηρίων. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνολογίες ενεργοποίηση για ηλιακή ψύξη: 1. ΦΒ Συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θερμοηλεκτρική ψύξη, κύκλο Stirling ή ακόμη και συμπιεστή μηχανική ψύξης, 2. Θερμικά Ηλιακά συστήματα, Απορρόφησης – Προσρόφησης που μετατρέπουν άμεσα την Ηλιακή ενέργεια (θερμική) σε ψυκτικό αποτέλεσμα. Συσκευές Ηλιακής Ψύξης Η Ηλιακή ψύξη βελτιώνει την αειφορία του κτηρίου διότι: επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση και κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας και τη μείωση των εκπομπών CO2! μειώνει τα φορτία Αιχμής “peak shaving” για την παραγωγή ηλεκτρισμού! Poraba toplote in delež solarnih Ενεργοποίηση της συνδυασμένης ogrevalnih sistemov χρήσης της ηλιακής θέρμανσης, ψύξης και ζεστού νερού χρήσης που βελτιώνει όλο το έτος την αποδοτικότητα των θερμικών ηλιακών συστημάτων και αυξάνει την οικονομία των ηλιακών συστημάτων! heating solar irradiation χαμηλότερη εκπομπή θορύβου.! solar assisted cooling DHW + heating DHW heating heating with seasonal heat storage Ηλιακά επικουρούμενη ψύξη – γενικές αρχές «Ανοικτού κύκλου» ηλιακών ενισχυόμενες με αέρα ψύξης προσφορά άμεσα ψύχεται και αφυγραίνεται (dehumidified) και μονάδα διαχείρισης αέρα (AHU). «Κλειστού κύκλου» ηλιακή επικουρείται, διατηρημένα με απλή ψύξη νερό ψύξεως (5°10°C) που παράγονται σε και να μεταφερθούν στις αποκεντρωμένες μονάδες όπως τα fan-coils ή AHU Οι τεχνολογίες για την εκμετάλλευση της θερμότητας από το θερμικό ηλιακό σύστημα, διαφέρουν όσον αφορά το επίπεδο θερμοκρασίας της ηλιακής θερμότητας – 50 έως 60°C και την περίπτωση του ανοιχτού κύκλου και 80 έως 95°C (+) και στην περίπτωση του κλειστού κύκλου. θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Ανοιχτός κύκλος ηλιακή ψύξη καλείται μια αποξηραντικήεξατμιστική ψύξη (DEC) λόγω του ότι αυτή η διαδοχικότητα επιφέρει θερμοδυναμική μεταβολή στην κατάσταση του αέρα. Οι διαδικασίες είναι ύγρανση και αφύγρανση του αέρα. θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Κατά τη διάρκεια της ύγρανσης, εξατμίζεται νερό. Συνεπώς ο αέρας ψύχεται, αλλά προκαλεί αύξηση της υγρασίας. Αυτού του είδους φυσική ψύξη είναι πολύ αποτελεσματική, εάν η υγρασία του αέρα είναι χαμηλή. Αναστρέψιμη διαδικασία, που ονομάζεται -ρόφησης, αφύγρανση του αέρα μειώνει την απόλυτη υγρασία αέρα, εν τω μεταξύ, η θερμοκρασία του αέρα αυξάνεται. Υλικό Ρόφησης μπορεί να είναι στερεό (π.χ. silicagel) ή υγρό (LiBr). θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Μια πλήρης διαδικασία 5-6: ψύξη του εσωτερικού αέρα με ένα υγραντή 6-7: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με απόρριψη εσωτερικού αέρα 8-9: θέρμανση του αέρα με ηλιακούς συλλεκτες 9-10: Αφύγρανση του εναλλάκτη -ρόφησης με ζεστό αέρα από ηλιακούς συλλέκτες 4: παροχή αέρα στο κτήριο 5: αφύγρανση του εσωτερικού αέρα 1-2: Αφύγρανση του αέρα εφοδιασμού και ρόφηση εναλλάκτη (νωπού αέρα) 2-3: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με απορριπτόμενο εσωτερικό αέρα και εναλλάκτη 3-4: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με ύγρανση Θερμοδυναμικοί και Ψυκτικοί κύκλοι ΨΥΞΗ ΜΕ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Διάταξη κλιματιστικής συσκευής LiBr/H2O λειτουργία με Ηλιακή Ενέργεια ΑΤΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ Νερό - Διάλυμα Βρωμιούχου Λιθίου (Η2O/LiBr) •Ψυκτικό μέσο είναι το νερό και μέσο απορρόφησης το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου. QAT ΝΤΛΙ Α QΣ ΒΑΛΒΙ ΔΑ ΣΤΡΑΓΓΑΛΙ ΣΜΟΥ QΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΣ ΒΑΛΒΙ ΔΑ ΣΤΡΑΓΓΑΛΙ ΣΜΟΥ QΨ ΑΤΜΟΠΟΙ ΗΤΗΣ Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Απορρόφηση Το σύστημα ψύξης απορρόφησης. Η θερμότητα στη «γεννήτρια» πρέπει να παρέχεται από συστοιχία ηλιακών συλλεκτών. (York) Αραιό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου συλλέγεται στο κάτω μέρος του κελύφους, δεξαμενή απορρόφησης. Από εδώ, ερμητικού τύπου αντλία το κυκλοφορεί από το κέλυφος και μέσω σωλήνα εναλλάκτη θερμότητας για προθέρμανση. Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Απορρόφηση Μετά την έξοδο του εναλλάκτη θερμότητας, το αραιό διάλυμα εκρέει στο το επάνω μέρος του κελύφους. Όπου περιβάλλει ένα δέμα από θερμούς σωλήνες που θερμαίνονται είτε ατμού ή με θερμό νερό. Ζεστό νερό από τους ηλιακούς συλλέκτες μεταφέρει θερμότητα στο χώρο συγκέντρωσης διαλύματος αραιού βρωμιούχου λιθίου. Το διάλυμα βράζει, εκρέοντας ατμούς ψυκτικού μέσου (νερό) προς τα επάνω σε ψυκτήρα και αφήνοντας πίσω το συμπυκνωμένο βρωμιούχο λίθιο. Το συμπυκνωμένο διάλυμα βρωμιούχου λιθίου μετακινείται προς τα κάτω στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου ψύχεται και οδηγείται προς την γεννήτρια. 1 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Απορρόφηση Το ψυκτικό μέσο συμπυκνώνεται από μια δέσμη σωλήνων ψυκτήρας. Η θερμότητα που έχει παραλαμβάνεται από το νερό ψύξης. Συμπυκνωμένη ψυκτικού μέσου συλλέγεται στο κάτω μέρος του ψυκτήρα. Ψυκτικό υγρό ρέει από τον ψυκτήρα και το επάνω κέλυφος προς τα κάτω στον εξαερωτήρα και στο χαμηλότερο σημείο του κελύφους όπου ψεκάζεται πάνω από τη δέσμη σωλήνων του εξατμιστή. Λόγω του κενού στο χαμηλότερο μέρος του κελύφους (επικρατεί απόλυτη πίεση 0,8 kPa) το ψυκτικό υγρό αρχίζει να βράζει σε θερμοκρασία ~ 4 ° C, δημιουργώντας το ψυκτικό αποτέλεσμα. Το κενό που δημιουργείται από το βρωμιούχο λίθιο απορροφά το ατμοποιηθέν ψυκτικό νερό. 2 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Απορρόφηση Όπως το ψυκτικό μέσο (ατμός) οδηγείται στη φιάλη απορρόφησης του εξαερωτήρα, το ισχυρό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου από τη γεννήτρια ψεκάζεται από την κορυφή της φιάλης απόρρόφησης. Το ισχυρό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου τραβάει τον ατμό ψυκτικού μέσου, δημιουργώντας κενό στον εξαερωτήρα. Κατά την απορρόφηση του ψυκτικού ατμού από το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου επίσης παράγεται θερμότητα, η οποία απορροφάται από το νερό ψύξης. Το αραιό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου συλλέγεται στο κάτω μέρος του κελύφους, όπου ρέει προς τα κάτω, στην αντλία διαλύματος. Έτσι ολοκληρώνεται ο κύκλος ψύξης και η 3 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Απορρόφηση Αντί του κύκλου απορρόφησης περιγράφεται ένα βήμα, δύο σταδίων, για πιο αποτελεσματική, ψύξη με απορρόφηση που 1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί 3 Το αρκετά πολύπλοκο καθεστώς των ψυκτών -ρόφηση; μπορούν να απλοποιηθούν όπως αυτό: Ψύκτες απορρόφησης με ψυκτική ισχύ μεταξύ των 5 kW έως 10 MW, με σημαντικό μερίδιο της αγοράς. Συμπεριλαμβάνει δύο μονάδες ψύξης ισχύος 5 και 15 kW. 2 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης – Προσρόφηση Αντί για απορροφητικό υγρό, στερεά υλικά μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην περίπτωση της ψύξης προσρόφησης. Σε αυτή την περίπτωση το υλικό ρόφησης και το ψυκτικό μέσο συνεργάζονται ενώ το ψυκτικό μέσο απελευθερώνεται ανάλογα με θερμική ισχύ εισόδου. Για συνεχή λειτουργία απαιτούνται τουλάχιστον δύο διαμερίσματα υλικών επιτρέποντας συνθήκες αναγέννησης του προσροφητικού υλικού. Και οι περισσότερες περιπτώσεις το νερό χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο και silica gel ή zeolithes ως προσροφητικό υλικό. Συγκριτικά με τους Ψύκτες απορρόφησης, η προσρόφηση εκτελείται με χαμηλότερες θερμοκρασίες οδήγησης (65 °C έ 75 °C) λλά ή 3 1 2 Two small adsorption chillers with cooling power 7,5 and 70 kW Αποτελεσματικότητα Ηλιακής ψύξης Η απόδοση ων συστημάτων ηλιακής ψύξης εκφράζονται από το «συντελεστή απόδοση» eer. Αυτή είναι η αναλογία μεταξύ του ψυκτικού αποτελέσματος και του ποσού της θερμότητας από την απαραίτητη για την λειτουργία κατά την ίδια χρονική περίοδο eer = Qc / Qh,solar Η αποτελεσματικότητα της ηλιακής ψύξης εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση του εξωτερικού και εσωτερικού αέρα και την απόδοση των ηλιακών συλλεκτών. Θα πρέπει να υπολογιστεί για κάθε ώρα. Energy & Environment Laboratory of CIT Refrigeration Provision – Air Conditioning & Alternative Energy Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας Prof. Μ. Gr. Vrachopoulos 71