Σε μια εποχή όπου το ενεργειακό κόστος αυξάνεται ραγδαία, είναι ιδιαίτερα σημαντική η βέλτιστη ενεργειακή διαχείριση σε επαγγελματικές και οικιακές εφαρμογές. Η τοποθέτηση αντλίας θερμότητας αποτελεί μονόδρομο για την μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας, λόγω των πολύ υψηλών βαθμών απόδοσης.
Γράφει ο ΣΠΥΡΟΣ ΔΕΔΕΣ, Μηχανολόγος Μηχανικός
Πάρα τους υψηλούς βαθμούς απόδοσης, η βέλτιστη εξοικονόμηση ενέργειας επιτυγχάνεται μόνο μέσω της ορθής διαστασιολόγησης – επιλογής της αντλίας θερμότητας σε συνδυασμό με την ορθή τοποθέτηση – εγκατάσταση της μονάδας.
Παρατηρείται συχνά το φαινόμενο να επιλέγονται αντλίες θερμότητας με ισχύ η οποία υπερκαλύπτει τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής. Μια τέτοια προσέγγιση οδηγεί σε υψηλότερη καταναλισκομένη ενέργεια ενώ αυξάνει σημαντικά και την αρχική αξία κτήσης.
Η επιλογή της αντλίας θερμότητας πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής, τις ιδιαιτερότητες της κάθε εφαρμογής, τον τύπο των εσωτερικών μονάδων θέρμανσης-ενδοδαπέδια-fancoils-θερμαντικά σώματα, καθώς και τις πραγματικές θερμικές ανάγκες της εγκατάστασης οι οποίες προκύπτουν από τη μελέτη θερμικών απωλειών.
Σύμφωνα με τα υπάρχοντα κλιματολογικά δεδομένα της Ε.Μ.Υ. που αφορούν τις διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος καθ’ όλη την διάρκεια του έτους για μία συγκεκριμένη περιοχή, καθώς και τις ώρες και συχνότητα εμφάνισης των θερμοκρασιών αυτών, δημιουργείται το κλιματολογικό προφίλ της περιοχής.
Η μέγιστη εξοικονόμηση ενέργειας μέσω των αντλιών θερμότητας παρατηρείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος (μερικό φορτίο) καθώς εκεί αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης. Επιπροσθέτως οι ώρες λειτουργίας σε μερικό φορτίο αποτελούν την πλειοψηφία των ωρών λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας (>95%). Άρα η επιλογή της αντλίας θερμότητας βασίζεται στον υψηλότερο βαθμό απόδοσης που επιτυγχάνεται στα μερικά φορτία σε συνδυασμό με τις ώρες λειτουργίας ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και όχι βάση της πλήρους κάλυψης των θερμικών απωλειών.
Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την επιλογή ισχύος της εκάστοτε αντλίας θερμότητας είναι το δισθενές σημείο ( ή Tbivalent).
Στο παρακάτω ενδεικτικό γράφημα παρατηρούμε πως όσο αυξάνεται η εξωτερική θερμοκρασία (οριζόντιος άξονας), τόσο μειώνονται οι ενεργειακές ανάγκες της εφαρμογής. Ταυτόχρονα, η απόδοση της αντλίας θερμότητας αυξάνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας περιβάλλοντος (μωβ γραμμή). Ορίζουμε ως δισθενές σημείο το σημείο εκείνο όπου η καμπύλη των απωλειών της εγκατάστασης τέμνει την καμπύλη απόδοσης της αντλίας, σε κάποια συγκεκριμένη εξωτερική θερμοκρασία.
Η επιλογή δισθενούς σημείου αποσκοπεί στην διαστασιολόγηση μιας αντλίας θερμότητας μικρότερης ισχύος ικανή να καλύψει τις ανάγκες της εφαρμογής σε πιο ήπιες εξωτερικές θερμοκρασίες και σε ποσοστό άνω του 95% των συνολικών ωρών λειτουργίας. Το υπολειπόμενο φορτίο που δε θα μπορεί να καλύψει η αντλία θερμότητας θα αναπληρωθεί με τη χρήση μιας συμπληρωματικής πηγής ενέργειας όταν αυτό απαιτείται.
Αυτό που προτείνουμε ουσιαστικά είναι η οριστική επιλογή της αντλίας θερμότητας να μη γίνεται με βάση τις ακραίες θερμοκρασιακές συνθήκες της περιοχής, που μπορεί να εμφανίζονται ελάχιστες ώρες στην περίοδο θέρμανσης, αλλά βασιζόμενοι στην πληροφόρηση από στοιχεία κλιματολογικών δεδομένων, όπως φαίνεται και στη παρακάτω εφαρμογή.
Παρατίθεται μια εφαρμογή ως παράδειγμα για το πως μπορούμε να επιλέξουμε δισθενές σημείο. Ως σημείο αναφοράς επιλέχθηκε η Κεντρική Ελλάδα και συγκεκριμένα η πόλη της Λάρισας για την οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα συχνότητα εμφάνισης θερμοκρασιών κάτω από 18°C.
Στη μελέτη αυτή, με τη χρήση προγραμμάτων προσομοίωσης υπολογίσαμε της ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Η σύγκριση απόδοσης – κατανάλωσης ενέργειας αφορά σε αντλία θερμότητας 16kW, υπολογισμένη στις ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος (Tbivalent = -12°C). Σε αντλία ονομαστικής ισχύος 12kW σε θερμοκρασία (Tbivalent= -7°C) και μια αντλία 8kW που έχει επιλεχθεί για θερμοκρασία περιβάλλοντος ποσοστού άνω του 95% των συνολικών ωρών λειτουργίας (Tbivalent=0°C).
Στον παρακάτω πίνακα και διαγράμματα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τον υπολογισμό κάθε αντλίας θερμότητας. Παρατηρούμε πως στην πρώτη περίπτωση (αντλία ισχύος 16kW) δεν απαιτείται επιπλέον χρήση συμπληρωματικής πηγής ενέργειας όμως η συνολική κατανάλωση ενέργειας είναι σημαντικά αυξημένη από τα υπόλοιπα σενάρια (5273kWh). Μεγάλο ενδιαφέρον εντοπίζεται και στην συμπεριφορά του συμπιεστή. Η λειτουργία του σαν ON/OFF εντοπίζεται σε συνθήκες περιβάλλοντος 8°C για 3124 ώρες (61% των ωρών λειτουργίας) πράγμα που όχι μόνο οδηγεί σε υψηλές καταναλώσεις αλλά και σε μεγαλύτερη καταπόνηση του συμπιεστή.
| Θερμοκρασία Περιβάλλοντος |
Ώρες Λειτουργίας |
Θερμοκρασία Περιβάλλοντος |
Ώρες Λειτουργίας |
|
| -12°C/ -10°C | 1 | +4°C / +6°C | 549 | |
| -10°C / -8°C | 4 | +6°C / +8°C | 672 | |
| -8°C / -6°C | 8 | +8°C / +10°C | 699 | |
| -6°C / -4°C | 19 | +10°C / +12°C | 661 | |
| -4°C / -2°C | 44 | +12°C / +14°C | 615 | |
| -2°C / 0°C | 100 | +14°C / +16°C | 580 | |
| 0°C / +2°C | 206 | +16°C / +18°C | 569 | |
| +2°C / +4°C | 368 | ΣΥΝΟΛΟ | 5.090 |
Στη περίπτωση επιλογής Tbivalent -7°C, η κατανάλωση της αντλίας θερμότητας είναι αισθητά μειωμένη (4907kWh). Σε αυτή τη περίπτωση απαιτείται χρήση συμπληρωματικής πηγής ενέργειας 2,5kW με συνολική κατανάλωση 8kWh. Η λειτουργία του συμπιεστή σαν On/off είναι 1764 ώρες (35% των ωρών λειτουργίας), για θερμοκρασία περιβάλλοντος άνω των 12°C. Τέλος, για Tbivalent=0°C, η συνολική κατανάλωση ενέργειας (αντλία θερμότητας και συμπληρωματική πηγή ενέργειας 5,4kW) είναι 4694kWh, δηλαδή εξοικονόμηση της τάξης των 579kWh, και ώρες συμπεριφοράς λειτουργείας του συμπιεστή σαν on/off 569 ώρες (11% των ωρών λειτουργίας).
| Ισχύς αντλίας θερμότητας |
Ετήσιες θερμικές απαιτήσεις (kWh) |
Συνολική κατανάλωση ενέργειας |
Κατανάλωση ενέργειας Α/Θ |
Kατανάλωση ενέργειας συμπληρωματικής πηγής |
Tbivalent | Λειτουργία συμπιεστή σαν ON/OFF |
| 16 (kW) | 5.273 kWh | 5.273 | 0kWh – 0 hrs | -12°C | +8°C -3124 hrs | |
| 12 (kW) | 16.764 | 4.915 kWh | 4.907 | 8kWh – 13 hrs | -7°C | +12°C-1764 hrs |
| 8 (kW) | 4.694 kWh | 4.537 | 157kWh – 76 hrs | 0°C | +16°C-569 hrs |
Παρατηρούμε λοιπόν πως στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η επιλογή μιας αντλίας θερμότητας μικρότερης ονομαστικής ισχύος μειώνει αφενός το αρχικό κόστος εγκατάστασης, αφετέρου οδηγεί σε χαμηλότερη συνολική ετήσια κατανάλωση ενέργειας.
Επιλογή 16(kw) SCOP= 3.18
Επιλογή 12(kw) SCOP= 3.4
Επιλογή 8(kw) SCOP= 3.6
Σημαντικός παράγοντας για την βέλτιστη εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και διασφάλιση της απρόσκοπτης λειτουργίας της αντλίας θερμότητας είναι η εγκατάσταση της σύμφωνα με τις απαιτήσεις του εκάστοτε κατασκευαστή. Η τήρηση των προτεινόμενων περιμετρικών αποστάσεων, η εξασφάλιση του ελάχιστου όγκου νερού της εγκατάστασης, η ποιότητα νερού, η προτεινόμενη υδραυλική/ηλεκτρολογική εγκατάσταση, έλεγχος-ρύθμιση-εκκίνηση από εξειδικευμένο προσωπικό όπως αυτά ορίζονται στα τεχνικά εγχειρίδια, θα εξασφαλίσουν τα ανωτέρω.
Ενδεικτικά όσον αφορά στην υδραυλική εγκατάσταση:
Κάθε εγκατάσταση πρέπει να συνοδεύεται από τον παρελκόμενο εξοπλισμό όπως φαίνονται στα παρακάτω σχήματα.
Τα παρελκόμενα αυτά είναι:
- Αντιδονητικοί σύνδεσμοι: Αποτρέπουν την μεταφορά κραδασμών από την μονάδα προς την εγκατάσταση και απορροφούν τις συστολές / διαστολές του υδραυλικού δικτύου καθώς και αντιδονητική στήριξη στη μονάδα
- Φίλτρο νερού: Για την προστασία του υδραυλικού μέρους της μονάδα από την προστασία από ρύπους και σωματίδια (κατά προτίμηση μαγνητικό φίλτρο)
- Μανόμετρα (Για τη σωστή ρύθμιση της ονομαστικής παροχής και τον έλεγχο της πτώσης πίεσης στον εναλλάκτη)
- Βάνες αποκοπής: για αποκοπή της εγκατάστασης σε περιπτώσεις βλάβης – αλλαγής εξοπλισμού.
- Δοχείο διαστολής (επιπλέον δοχείο διαστολής εάν το απαιτεί ο όγκος της εγκατάστασης)
- Δοχείο αδρανείας: Η αντλία θερμότητας απαιτεί σημαντική περιεκτικότητα σε ενεργό νερό για:
1. Περιορισμό της πτώσης θερμοκρασίας νερού στο κύκλωμα κατά τη διάρκεια των κύκλων απόψυξης.
2. Εξασφάλιση ομαλής λειτουργίας συμπιεστή – μείωση αριθμού εκκινήσεων συμπιεστή.
Έχοντας λοιπόν διαστασιολογήσει την αντλία θερμότητας βάσει κατάλληλης επιλογής δισθενούς σημείου και εφαρμόζοντας τις οδηγίες του κατασκευαστή, εξασφαλίζουμε όχι μόνο τη βέλτιστη οικονομία για τον τελικό καταναλωτή αλλά και την απρόσκοπτη λειτουργία της εγκατάστασης. Εξαλείφονται πιθανές δυσλειτουργίες αλλά και προβλήματα που προκύπτουν από τη λάθος τοποθέτηση όπως μη επαρκείς προσβασιμότητα για τεχνικές εργασίες κ.α. Μόνο δίνοντας λοιπόν την αρμόζουσα προσοχή στη υλοποίηση της εκάστοτε εφαρμογής, μπορούμε να επιτύχουμε τη μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα μείωση του αρχικού κόστους κτήσης.
