Συνθήκες άνεσης, σύγχρονη τάση αντιμετώπισης κλιματισμού σε εμπορικές εφαρμογές

Εξοικονόμηση ενέργειας και ανάκτηση θερμότητας για θέρμανση και ψύξη μέσω συστημάτων κλιματισμού με 4-σωλήνιες αντλίες θερμότητας. Το φαινόμενο της ταυτόχρονης κάλυψης των αναγκών σε ψύξη και θέρμανση στα κτίρια, λόγω των συχνών κλιματολογικών εναλλαγών και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των κτιρίων με ταυτόχρονες ανεξάρτητες απαιτήσεις λόγω εφαρμογής (π.χ. ψύξη και παραγωγή ζεστών νερών χρήσης) ή χρήσης (διαφορετικές θερμοκρασιακές ζώνες ανά χώρο) κατά την διάρκεια ολόκληρου του έτους, προκειμένου να προσφέρονται οι ιδανικές συνθήκες άνεσης, αποτελεί πλέον καθεστώς στον σχεδιασμό συστημάτων κλιματισμού.

Γράφει ο Βαγγέλης Λαγός, Μηχανολόγος Μηχανικός Υπεύθυνος Τομέα Κλιματισμού CALDA ENERGY

Η αξιοποίηση των 4-σωλήνιων αντλιών θερμότητας νερού πολλαπλών χρήσεων αποτελούν την αποδοτικότερη και πιο αξιόπιστη λύση, καθώς αποδεδειγμένα πλέον η εξοικονόμησή ενέργειας, σε διαφόρων τύπων εξεταζόμενα εμπορικά κτίρια, μπορεί να φτάσει ακόμη και το 35%. Συνεπώς, η εξοικονόμηση αυτού του μεγέθους έχει άμεση επίδραση όχι μόνο στην μείωση εκπομπών ρύπων που προέρχονται από τα συστήματα κλιματισμού αλλά και στη σημαντική μείωση των λειτουργικών εξόδων ελαχιστοποιώντας σημαντικά το κόστος κύκλου-ζωής (LCC) μιας εγκατάστασης.

4-Σωλήνιες Αντλίες Θερμότητας

Οι 4-σωλήνιες αντλίες θερμότητας πολλαπλών χρήσεων είναι σχεδιασμένες να ικανοποιούν την ταυτόχρονη ζήτηση για παραγωγή ψυχρού και θερμού νερού, μέσω δύο πλήρως ανεξάρτητων ψυκτικών κυκλωμάτων. Η αρχιτεκτονική του συστήματος διαχείρισης επιτρέπει την λειτουργία των συγκεκριμένων αντλιών θερμότητας είτε σε 2-σωλήνια συστήματα (π.χ. ξενοδοχεία) με απαιτήσεις ψύξης/θέρμανσης και ταυτόχρονης παραγωγής Ζ.Ν.Χ., είτε σε 4-σωλήνια συστήματα (π.χ. εμπορικά κέντρα ή κτίρια γραφείων με μεγάλες γυάλινες επιφάνειες) όπου υπάρχουν απαιτήσεις ταυτόχρονης ζήτησης σε ψύξη και θέρμανση με διακύμανση των φορτίων, καθ’ όλη την διάρκεια του έτους. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές η σύγχρονή αντιμετώπιση σχεδιασμού είναι η χρήση τοπικών κλιματιστικών μονάδων fancoils με ανεξάρτητο έλεγχο ανά χώρο για ευελιξία στην χρήση, συνδυαστικά με την χρήση κεντρικών κλιματιστικών μονάδων επεξεργασίας αέρα με ανάκτηση θερμότητας.

Έτσι, αν η διάταξη είναι 2-σωλήνια τότε οι τερματικές μονάδες είναι εξοπλισμένες με ένα κοινό στοιχείο ψύξης/θέρμανσης ενώ η λειτουργία της αντλίας θερμότητας εναλλάσσεται βάσει της περιόδου (Σχήμα 1), ενώ σε 4-σωλήνια διάταξη είναι εξοπλισμένες με δύο ξεχωριστά στοιχεία νερού με δυνατότητα ψύξης και θέρμανσης την ίδια χρονική περίοδο, με τις αντλίες θερμότητας να εναλλάσσουν συνεχώς λειτουργία τους είτε προς το δίκτυο ψύξης είτε προς το δίκτυο θέρμανσης. Επίσης, υπάρχουν πλέον διαθέσιμες στην αγορά και λύσεις 4-σωλήνων fancoils με κοινό στοιχεία για ψύξη και θέρμανση, μέσω ειδικής τετράοδης βάνας η οποία είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο ψύξης και θέρμανσης. Έτσι επιτυγχάνεται στο fancoil μεγαλύτερο στοιχείο και θερμική απόδοση, προσφέροντας την δυνατότητα μείωσης της θερμοκρασίας προσαγωγής, αύξησης της εξοικονόμησης ενέργειας και κατ’ επέκταση μείωσης του κόστους λειτουργίας.

Το μεγάλο πλεονέκτημα των συγκεκριμένων μονάδων προκύπτει όταν η εφαρμογή απαιτεί ταυτοχρονισμό των απαιτήσεων σε ψύξη και θέρμανση, καθώς η αντλία θερμότητας συμπεριφέρεται πλέον ως υδρόψυκτη ελέγχοντας την συμπύκνωση και την εξάτμιση στους δύο ανεξάρτητους πλακοειδείς εναλλάκτες παραγωγής θερμού και ψυχρού νερού αντιστοίχως,με εναλλαγή θερμότητας μεταξύ τους (ολική ανάκτηση θερμότητας). (Σχήμα 2). Όλη η διαχείριση γίνεται μέσω της μονάδας ελέγχου έχοντας ως προτεραιότητα την μεγιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος είτε σε πλήρη είτε σε μερικά φορτία.

Σχήμα 1. Λειτουργία Ψύξης & Θέρμανσης Εναλλαγή θερμότητας με εξωτερικό στοιχείο

Σχήμα 2. Ολική Ανάκτηση Θερμότητας μεταξύ εναλλακτών ψύξης & θέρμανσης

Καθοριστικής σημασίας παράγοντας για την ορθή και αποδοτικότερη δυνατή λειτουργία του συστήματος είναι η επιλογή της κατάλληλης μονάδας να πραγματοποιείται λαμβάνοντας υπόψιν τον ταυτοχρονισμό των ψυκτικών και θερμικών φορτίων της εφαρμογής. Επίσης, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στον ελάχιστο απαιτούμενο όγκο νερού του υδραυλικού δικτύου της εγκατάστασης, η οποία εξαρτάται από τις ακριβείς τεχνικές προδιαγραφές του επιλεγόμενου μηχανήματος κάθε κατασκευαστή. Η ύπαρξη του κατάλληλου όγκου νερού έχει ως στόχο στην μείωση των διακυμάνσεων των θερμοκρασιών του κυκλώματος, στην ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων εναλλαγών από ψύξη σε θέρμανση και η εξασφάλιση της ορθής λειτουργίας της μονάδας.

Το μέγεθος που χαρακτηρίζει την αποδοτικότητα των αντλιών θερμότητας πολλαπλών χρήσεων όσον αφορά την ταυτόχρονη παραγωγή ψύξης και θέρμανσης είναι ο Ολικός βαθμός απόδοσης (TER–Total Efficiency Ratio) ο οποίος προκύπτει από τον λόγο της προσδιδόμενης ψυκτικής και θερμικής ενέργειας (άθροισμα ψυκτικής & θερμικής ισχύς) προς την κατανάλωση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Όσο μεγαλύτερη ισορροπία μεταξύ των θερμικών και ψυκτικών φορτίων επιτυγχάνεται τόσο υψηλότερος είναι ο βαθμός TER, φτάνοντας ακόμη και έναν συντελεστή 7,9. (Διάγραμμα 1)

Διάγραμμα 1. Μεταβολή TER για 4-σωλήνιες αντλίες πολλαπλών χρήσεων σε διάφορες μεταβολές φορτίου (παραγώμενο νερό 7°C ψύξη _ 45°C θέρμανση, εξ. θερμ. 15°C)

Τέλος, συχνά πλέον οι μελετητές αντιμετωπίζουν εφαρμογές με ιδιαίτερες απαιτήσεις στον σχεδιασμό όσον αφορά την παραγωγή θερμού νερού υψηλών θερμοκρασιών – π.χ. παραγωγή Ζ.Ν.Χ. σε ξενοδοχειακές μονάδες με προαπαιτούμενο την θερμική απολύμανση των υδραυλικών δικτύων μέσω θερμικού σοκ κατά του βακτηρίου της Λεγεωνέλλας, ή εγκαταστάσεις θέρμανσης με τερματικές μονάδες υψηλών θερμοκρασιών (θερμαντικά σώματα) ή βιομηχανικές εφαρμογές με απαιτήσεις παραγωγής νερού υψηλών θερμοκρασιών για ειδικές διεργασίες. Την λύση στην κάλυψη των προδιαγραφών τέτοιων ιδιαίτερων εφαρμογών έρχονται να δώσουν οι ειδικές υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας μόνο θέρμανσης, παραγωγής υψηλών θερμοκρασιών έως 80°C, αποτελώντας ενεργειακά την καλύτερη πρόταση έναντι των συμβατικών τεχνολογιών.(Σχήμα 3) Διαθέτουν δύο ξεχωριστά ψυκτικά κυκλώματα, με κατάλληλους συμπιεστές για λειτουργία με ψυκτικό μέσο R134a, επιλεγμένους για μέγιστη απόδοση στην παραγωγή νερού υψηλών θερμοκρασιών. Συνδυάζονται απόλυτα με τις αντλίες θερμότητας πολλαπλών χρήσεων, λαμβάνοντας νερό με είσοδο θερμοκρασίας έως 45°C για παραγωγή και αποθήκευση νερού μέγιστης θερμοκρασίας 80°C σε δοχεία αδρανείας. (Σχήμα 4)