Αντλία θερμότητας . Θέρμανση / ψύξη τού μέλλοντος .

Αντλίες θερμότητας

Γράφει ο Δρ  Απόστολος Ευθυμιάδης 
    

     Βασικό πλεονέκτημα των αντλιών θερμότητας: προσφέρουν θέρμανση τον χειμώνα και ψύξη το καλοκαίρι, είναι δηλαδή δύο σ’ ένα. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας μπορούν πλέον να παρέχουν

α) τόσο κεντρική θέρμανση σε υποκατάσταση λεβήτων πετρελαίου , αερίου ή και πιλίδων - ξυλίδων (βαρβαριστί pellets και  woodchips)

β) όσο και κεντρική ψύξη σε υποκατάσταση ψυκτῶν

1.    Η αρχή λειτουργίας               

Η αρχή λειτουργίας (ψυκτικός κύκλος) μίας τυπικής οικιακής αντλίας θερμότητας κατά την λειτουργία ψύξεως είναι ίδια με εκείνη των ψυκτών: Το κρύο ψυκτικό υγρό εισέρχεται στους 7°C στον Ατμοποιητή (εσωτερική μονάδα) και εξατμίζεται απορροφώντας θερμότητα από τον χώρο με την βοήθεια ανεμιστήρα, ψύχοντας έτσι το χώρο αυτόν. Στην συνέχεια ο παραγόμενος ατμός συμπιέζεται στον συμπιεστή (εξωτερική μονάδα) και θερμαίνεται σε υψηλή πίεση (~20bar) και θερμοκρασία (70 με 80°C). Ο υπέρθερμος αυτός ατμός εισέρχεται στον Συμπυκνωτή (εξωτερική μονάδα) όπου κρυώνει και υγροποιείται στους 40°C περίπου από τον εξωτερικό αέρα με την βοήθεια ανεμιστήρα. Τέλος το ψυκτικό υγρό διέρχεται μέσω εκτονωτικής βαλβίδας όπου μειώνεται η πίεση στα 5 bar περίπου και λόγω αυτού του στραγγαλισμού ψύχεται στους 3 έως 7 °C

Κατά την λειτουργία θερμάνσεως και με την βοήθεια καταλλήλων βαλβίδων, αντιστρέφεται η πορεία του ψυκτικού μέσου και ο συμπιεστής οδηγεί το ψυκτικό μέσο μετά την συμπίεση στον «ατμοποιητή» ο οποίος πλέον λειτουργεί ως «συμπυκνωτής» και αποβάλει έτσι θερμότητα στον εσωτερικό χώρο. Παράλληλα το ψυκτικό μέσο θερμαίνεται στον εξωτερικό συμπυκνωτή ο οποίος τώρα λειτουργεί ως «συμπυκνωτής» και θερμαίνεται από τον εξωτερικό αέρα.

2 .   Τα είδη των αντλιων θερμότητας και ο βαθμός αποδόσεως

Ανάλογα με τον τρόπο εξωτερικής θερμάνσεως των ΑΘ κατά την λειτουργία θερμάνσεως ή εξωτερικής ψύξεως κατά την λειτουργία ψύξεως οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε

·        αεροθερμικές/αερόψυκτες

·        υδροθερμικές/υδρόψυκτες

·        γεωθερμικές/γεώψυκτες

Ο βαθμός αποδόσεως των ΑΘ ορίζεται ως ο λόγος της αποδιδόμενης ψυκτικής ενέργειας ή θερμότητας ως προς την παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Ο βαθμός απόδοσης κατά την θέρμανση καλείται COP (CoefficientOfPerformance) ενώ  κατά την ψύξη EER (EnergyEfficiencyRatio). Με τους νέους ευρωπαϊκούς κανονισμούς ομιλούμε πλέον δια τον εποχιακό βαθμό απόδοσης (Seasonal) και επομένως οι προμηθευτές ΑΘ χαρακτηρίζουν αυτές με τα ακρωνύμια SCOPκαι SEER.  Οι βαθμοί αποδόσεως αυτοι διαφέρουν αναλόγως του τρόπου εξωτερικής ψύξεως ή θερμάνσεως των ΑΘ ως εξής :

Τρόπος θερμάνσεως ή ψύξεως ΑΘ	Συμβατική ΑΘ ή ψύκτης (SEER μόνο)		ΑΘ νέας τεχνολογίας
	SCOP	SEER	SCOP/	SEER
με αέρα	1,8 – 2,3	2,0 – 2,8	3,2 – 3,9	3,7 – 4,5
με νερό	3,0 – 3,5	3,5 – 4,0	4,0 – 4,5	4,2 – 4,7
μεγεω-εναλλάκτη	3,5 – 4,5	3,8 – 4,7	4,5 – 5,5	5,5 – 6,0

3.   Το μεγάλο ενεργειακό πλεονέκτημα των ΑΘ

        Οι σύγχρονες αντλίες θερμότητας δύνανται να υποκαταστήσουν οικονομικά το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο εις την κεντρική θέρμανση με συνολικό βαθμό αποδόσεως τής τάξεως του 200% και τούτο διότι :

·        Εμφανίζουν βαθμόν αποδόσεως της τάξεως του 380% (= παραγωγή θερμότητας/χρήση ηλεκτρικής ενέργειας)

·        Ο σύγχρονος βαθμός αποδόσεως μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με φυσικό αέριο είναι της τάξεως του 53% (=παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας/χρήση φυσικού αερίου)

·        Επομένως ο συνολικός βαθμός απόδοσης του φυσικού αερίου στην θέρμανση μέσω αντλιων θερμότητας ανέρχεται στο 201% (= 380% . 53%)

·        Τέτοιο βαθμό ἀποδόσεως δεν δύνανται να επιτύχουν οι πλέον σύγχρονες τεχνολογίες καύσεως του φυσικού αερίου, είτε δηλαδή οι λέβητες συμπυκνώσεως είτε οι μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας των οποίων ο βαθμός αποδόσεως δεν υπερβαίνει το 100%.

4 .   Οικονομικές εφαρμογές ΑΘ κατά την ψύξη

Οι σύγχρονες αντλίες θερμότητας επιτρέπουν μεγάλα περιθώρια εξοικονόμησης ενέργειας λόγω του αυξημένου βαθμού αποδόσεως. Π.χ. εάν αντικατασταθεί ένας παλαιός αερόψυκτος ψύκτης με SEER₁=2,2 με ένα νέο με SEER₂=4,0 τότε η ετήσια εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας Wισούται με :

(W₁ – W₂)/ W₁= {Q/SEER₁ – Q/SEER₂}/(Q/SEER₁) = 1-SEER₁/SEER₂ = 45%

όπου Qείναι η απαιτούμενη ενέργεια ψύξεως σε ετήσια βάση.      

Επομένως η πρώτη εφαρμογή των ΑΘ ψυκτικής ικανότητας Ψ (σε kW) είναι η αντικατάσταση κεντρικών ψυκτών σε κτίρια του τριτογενούς τομέα. Τα οικονομικά αυτής της επένδυσης έχουν ως εξής:

Τιμή μονάδος τ μίας νέας ΑΘ : τ= 550 €/kWψυκτικής ικανότητας

·        Ετήσια παροχή ψύξεως διά Ψ kWψυκτικής ικανότητας : Q=Ψ(kW).1500 (h)

·        Ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας πριν την αντικατάσταση : 1500.Ψ/SEER₁ = 1500 Ψ/2,2 = 681,8 Ψ (kWh)

·        Ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μετά την αντικατάσταση : 1500.Ψ/SEER₂ = 1500 Ψ/4 = 375Ψ (kWh)

·        Ετήσια εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας : (682 – 375)Ψ = 307 Ψ (kWh)

·        Τιμή μονάδος ηλεκτρικής ενέργειας : 0,15 €/kWh

·        Ετήσια οικονομία : 0,15 * 307.Ψ = 46 Ψ (€)

·        Δαπάνη αγοράς για νέα ΑΘ: 550 (€/kW) .Ψ (kW)

·        Απλή περίοδος αποπληρωμής : 550/46 =       12 χρόνια

Επομένως η αντικατάσταση παλαιών ψυκτών με νέες ΑΘ υψηλής αποδόσεως είναι οικονομικώς ανταποδοτική αλλά εμφανίζει μεγάλες περιόδους αποπληρωμής.

5.  ΑΘ για ψύξη και θέρμανση

Εάν η ΑΘ της παραγράφου 3 χρησιμοποιηθεί επίσης και για θέρμανση σε υποκατάσταση του λέβητα πετρελαίου εποχιακού βαθμού αποδόσεως και κάνοντας τις υποθέσεις ότι

·        η θερμική ικανότητα της ΑΘ Θ ισούται με την Ψυκτική Ψ  και ότι η ΑΘ λειτουργεί επί 2000 ώρες ετησίως επί ισοδυνάμου πλήρους φορτίου

·        ο βαθμός απόδοσης του λέβητα θερμάνσεως η = 75%

·        η ετήσια παραγωγή και ετησίας παραγωγής θερμότητας Q_Θ= 2200Ψ

·        η ετήσια κατανάλωση καυσίμου Κ = Q_Θ/η = 2000Ψ/0,75,

·        η τιμή προμηθείας καυσίμου πετρελαίου ανέρχεται περί τα 0,12 €/kWh

·        οι ετήσιες δαπάνες προμηθείας καυσίμουανέρχονται σε 0,12.2200Ψ/η (€) = 352 Ψ (€):

·        οι ετήσιες δαπάνες προμήθειας ηλεκτρικής ενέργειας για την ΑΘ σε υποκατάσταση καυσίμου ανέρχονται σε (0,15 22000Ψ) / SCOP = 82,5Ψ (€)

Επομένως το ετήσιο όφελος από την νέα ΑΘ για την θέρμανση είναι 82,5 Ψ και για την ψύξη 46 Ψ ήτοι σύνολο 128,5 Ψ. Επομένως η απλή περίοδος αποπληρωμής της νέας επενδύσεως σε ΑΘ ανέρχεται σε 550 /( 128,5) = 4,3 έτη.

Από τα ανωτέρω συνάγεται ότι η επένδυση σε μία νέα ΑΘ για ψύξη-θέρμανση και σε υποκατάσταση λέβητα πετρελαίου και υφιστάμενου ψύκτη εμφανίζει πολύ καλούς οικονομικούς δείκτες.

6.   Συμπερασματικά

Οι ἀντλίες θερμότητας αποτελούν σήμερα μία οικονομική λύση εις την θέρμανση όταν αυτές χρησιμοποιούνται παράλληλα και για ψύξη με χρόνους αποσβέσεως της τάξεως των 4 με 5 ετών.
 Οι ΑΘ σε εφαρμογές θέρμανσης μόνο, εμφανίζουν μεγαλύτερους χρόνους αποσβέσεως της τάξεως των 7 έως 9 έτη αλλά παραμένουν οικονομικές έναντι των συγχρόνων τεχνολογιών καύεως. 
Όμως και εκεί τα περιθώρια οικονομικών επενδύσεων εξοικονόμησης ενέργειας είναι μεγάλα και εξαρτώνται από την τιμή του ρεύματος και των καυσίμων, το κόστος εγκατάστασης της αντλίας θερμότητας.

    Δύο είναι τα βασικά μειονεκτήματα των ΑΘ σε σύγκριση με τις τεχνολογίες λεβήτων συμπυκνώσεως :

α)      έχουν αρχική δαπάνη προμηθείας αρκετά υψηλότερη έναντι των λεβήτων συμπυκνώσεως το τίμημα των οποίων ανέρχεται περί τα 40 με 80 €/kWαποδιδόμενης θερμικής ισχύος  έναντι των 550 € ανά kWτων αντλιων θερμότητας,

β)      εμφανίζουν μειωμένη ενεργειακή απόδοση όταν παράγουν θερμότητα σε υψηλές θερμοκρασίας (~70°C). Οι ΑΘ εμφανίζουν τον μέγιστο βαθμό αποδόσεως όταν λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (~35 με  45°C).
Από την άλλη πλευρά τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης στην Ελλάδα με σώματα θερμού νερού παραδοσιακά έχουν σχεδιαστεί να λειτουργούν σε περιοχή θερμοκρασιών 70 με 90 °C ενώ τα συστήματα με ενδοδαπέδια θέρμανση ή με στοιχεία ανεμιστήρα (φάνκόϊλ) στους 35 με 45°C.

Επομένως οι εφαρμογές ΑΘ είναι ιδιαιτέρως ανταποδοτικές στα συστήματα με εδνοδαπέδια θέρμανση ή με στοιχεία ανεμιστήρα τα οποία απατώνται στα κτίρια του τριτογενούς τομέα.

        Όμως οι ΑΘ έχουν περιθώρια οικονομικής εφαρμογής ακόμα στην κεντρική θέρμανση κατοικιών και τούτο διότι οι εγκαταστάσεις σωληνώσεων και θερμαντικών σωμάτων εκεί είναι συνήθως υπερδιαστασιολογημένες και επομένως δύνανται να λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χωρίς απώλεια θερμικής ανέσεως καθ’ όλη την περίοδο θέρμανσης εκτός μόνο από ολίγες ώρες τον χρόνο όπου επικρατεί δριμύ ψύχος οπότε τότε θα λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες χωρίς όμως σημαντική απώλεια ενεργειακής αποδόσεως έτσι ώστε να απολέσουν την οικονομική τους επίδοση.