ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Β. Ηλιάδης Χηµικός Μηχανικός (Energa A.E.) Τ. Καλαϊτζίδης Μηχανολόγος Μηχανικός (KLT A.E.) ΓΕΝΙΚΑ Το φυσικό αέριο, η σηµαντικότερη ίσως πηγή ενέργειας σήµερα, και το καθαρότερο απ όλα τα καύσιµα, στην συνείδηση του κόσµου είναι συνδεδεµένο άµεσα µε την θέρµανση, την παραγωγή ζεστού νερού, καθώς και την οικιακή ή βιοµηχανική χρήση, ως ένα καύσιµο οικονοµικό, καθαρό προς το περιβάλλον αλλά του οποίου η χρήση περιορίζεται µόνο στην Χειµερινή περίοδο. Σήµερα, που στον άνθρωπο η επιθυµία για άνετο περιβάλλον είναι ανάγκη και όχι πολυτέλεια, και η διάδοση του κλιµατισµού διευρύνεται όλο και περισσότερο, µπορούµε πλέον ευκολότερα, αλλά και επιβάλλεται, να το χρησιµοποιούµε σαν καύσιµο και κατά την καλοκαιρινή περίοδο για παραγωγή ψύξης. Γενικά, σ ένα κτίριο, περίπου το 30% της ηλεκτρικής κατανάλωσης ισχύος δαπανάται στο σύστηµα κλιµατισµού διότι αυτή την στιγµή, οι περισσότεροι ψύκτες µεγάλης απόδοσης καταναλώνουν ηλεκτρικό ρεύµα για την λειτουργία τους. Η χρησιµοποίηση συστηµάτων κλιµατισµού µε φυσικό αέριο, παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα σε επίπεδο εθνικής οικονοµίας, τελικού χρήστη και περιβάλλοντος, δεδοµένου ότι ελαχιστοποιείται η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την λειτουργία τέτοιων συστηµάτων. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΥΞΗΣ Τα µέχρι τώρα ευρέως χρησιµοποιούµενα συστήµατα για παραγωγή ψύξης περιλαµβάνουν: 1. Συστήµατα ψύξης µε Αµµωνία. Το σύστηµα ψύξης µε Αµµωνία είναι γνωστό από το Από εκεί και πέρα η ανάπτυξη των ψυκτών απορρόφησης µε Βρωµιούχο Λίθιο περιόρισε δραστικά την παραγωγή συστηµάτων Αµµωνίας Νερού. Τα συστήµατα ήταν εφαρµόσιµα συνήθως σε εγκαταστάσεις µε µεγάλες ποσότητες απορριπτόµενης θερµότητας από διάφορες πηγές, ώσπου ήρθε το φυσικό αέριο και τις αντικατέστησε. Πυκνό διάλυµα αµµωνίας εξατµίζεται σε λέβητα µε χρήση Φυσικού Αερίου. Το µίγµα νερού αερίου στη συνέχεια αποστάζεται και η αµµωνία που βγαίνει από την κορυφή του αποστακτήρα συµπυκνώνεται. Ένα µέρος της υγρής φάσης ανακυκλώνεται στον αποστακτήρα και το υπόλοιπο στραγγαλίζεται προς χαµηλή 1

2 πίεση οπότε η θερµοκρασία του πέφτει. Η αµµωνία µε χαµηλή πλέον θερµοκρασία ψύχει το ψυκτικό µέσο. 2.Συστήµατα ψύξης GHP (αντλίες Θερµότητας) Τα συστήµατα ψύξης Gas Heat Pumps, (αντλίες Θερµότητας), χρησιµοποιούν κινητήρα εσωτερικής καύσης που τροφοδοτείται µε φυσικό αέριο ως καύσιµο για την κίνηση του συµπιεστή. Κατά τα λοιπά (συµπιεστής, ψυκτικό κύκλωµα, εναλλάκτης κλπ) είναι παρόµοιας συγκρότησης µε τα υπάρχοντα στην αγορά συστήµατα Freon, καθιστώντας εύκολη την ενσωµάτωσή τους σε ήδη εγκατεστηµένα συστήµατα κλιµατισµού χωρίς την αλλαγή εσωτερικών συσκευών και σωληνώσεων. 3. Συστήµατα Ψύξης µε Βρωµιούχο Λίθιο Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Η ψύξη µε την µέθοδο της απορρόφησης είναι µία παλαιά µέθοδος που επινοήθηκε την δεκαετία του στην Αµερική από τον Ferdinand Carre και βασίζεται στην θεωρία ότι όταν ένα υγρό εξατµίζεται, απορροφά θερµότητα από τον εαυτό του ή και το περιβάλλον του. Στην συγκεκριµένη εφαρµογή το υγρό που χρησιµοποιούµε είναι το νερό και το οποίο και εξατµίζεται σε συνθήκες χαµηλής πίεσης (απουσία αέρος) σε θερµοκρασία 4 o C. Από τότε µέχρι σήµερα, η διαδικασία έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης και φτάσαµε σήµερα στο σηµείο να διαθέτουµε ψύκτες απορρόφησης τεχνολογικά προηγµένους µε ενσωµατωµένα εξελιγµένα συστήµατα αυτόµατων λειτουργιών, και συντήρησης από απόσταση µέσω του διαδικτύου. Το διάγραµµα λειτουργίας του της µεθόδου παρατίθεται παρακάτω: Περιληπτικά η διαδικασία έχει ως εξής: Το βρωµιούχο λίθιο (LiBr) είναι µία άχρωµη, ακίνδυνη, κρυσταλλική ένωση περίπου σαν το αλάτι που χρησιµοποιούµε στο φαγητό, µη τοξική, µη πτητική, που δεν αλλοιώνεται, δεν αποσυντίθεται αλλά διαλύεται πολύ εύκολα στο νερό και είναι εξαιρετικά υγροσκοπικό (απορροφά νερό). Αραιό διάλυµα Βρωµιούχου Λιθίου βράζει µέσα σ έναν λέβητα (1 γεννήτρια) µέσω της καύσης Φυσικού Αερίου. Κατά τον βρασµό, παράγονται ατµοί οι οποίοι αποµακρύνονται προς τον συµπυκνωτή (2) και πυκνό διάλυµα LiBr που οδεύει προς τον θάλαµο απορρόφησης. (Οι απαιτούµενες ποσότητες θερµότητας µπορούν εναλλακτικά ή επιπλέον να προσφερθούν και από ατµό, ζεστό νερό, ή καυσαέρια). Οι παραγόµενοι ατµοί οδηγούνται σε εναλλάκτη θερµότητας (3), όπου νερό από τον πύργο ψύξης τους συµπυκνώνει προς καθαρό νερό της ίδιας θερµοκρασίας.(σηµείο ζέσεως). Το θερµό νερό οδεύει προς την κορυφή του θαλάµου χαµηλής πίεσης όπου 2

3 µέσω σερπαντίνας (µικρά συστήµατα) ή µετά ανάµειξη µε ψυχρό νερό ( µεγάλα συστήµατα) ψύχεται σε θερµοκρασία χαµηλότερη των 50 ο C και κατόπιν εκτονώνεται σε λεπτό διαµερισµό. Στις συθήκες του θαλάµου εκτόνωσης (πίεση 6 mmhg) το νερό θερµοκρασίας 50 ο C είναι υπέρθερµο και βράζει, και ένα µέρος της µάζης εξατµίζεται. Η απαιτούµενη λανθάνουσα θερµότης προσφέρεται από την µάζα του νερού, η θερµοκρασία του οποίου πέφτει στους 4 ο C (4 εξατµιστής). Το νερό ενώ εξατµίζεται, καταιωνίζεται σε σερπαντίνα νερού που προέρχεται από τα Fan Coils. Το καταιωνιζόµενο νερό ψύχει το νερό των Fan Coils. Ο θάλαµος γεµίζει µε ατµούς και η πίεση τείνει να ανέβει πάνω από τα 6 mmhg. Για την διατήρηση του κενού, οι παραγόµενοι ατµοί νερού οδηγούνται προς τον θάλαµο απορρόφησης, (5) όπου πυκνό διάλυµα LiBr που παράγεται κατά την διεργασία 1 καταιωνίζεται σε λεπτό διαµερισµό, απορροφά τους ατµούς νερού και βαθµιαία µετατρέπεται σε αραιό διάλυµα LiBr. Η διεργασία είναι εξώθερµη και η θερµοκρασία τείνει να ανέβει. Για την διατήρηση της θερµοκρασίας σε χαµηλά επίπεδα, το καταιωνιζόµενο διάλυµα LiBr ψύχεται από σερπαντίνα όπου κυκλοφορεί νερό του πύργου ψύξης. Το αραιό διάλυµα LiBr προθερµαίνεται από πυκνό διάλυµα LiBr (6 & 7) και επιστρέφει στον θάλαµο εξάτµισης όπου µετατρέπεται σε πυκνό και η διαδικασία επαναλαµβάνεται. Ο λόγος της διάβασης του αραιού και ψυχρού διαλύµατος µέσω των 2 εναλλακτών είναι για να αυξηθεί ο βαθµός απόδοσης του ψύκτη και να αποφευχθεί το φαινόµενο της κρυσταλλοποίησης. Στην επόµενη διαφάνεια φαίνεται µία τοµή από έναν ψύκτη απορρόφησης στον οποίο µπορούµε να διακρίνουµε εύκολα την διάταξη του θαλάµου εξάτµισης και του θαλάµου απορρόφησης. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Τα πλεονεκτήµατα που προκύπτουν από την χρήση φυσικού αερίου για την ψύξη είναι πολλαπλά. Οικονοµικά, Περιβαλλοντικά, Ενεργειακά. Θα µπορούσαµε να σταθούµε και να αναλύσουµε κάθε ένα ξεχωριστά για αρκετή ώρα, αλλά λόγω της έλλειψης χρόνου θα τα αναφέρουµε επιγραµµατικά τονίζοντας µόνο κάποιες ιδιαιτερότητες πιθανόν άγνωστες σε πολλούς από εµάς Α) Οικονοµικά Σχεδόν ίδιο ή και µικρότερο κόστος εγκατάστασης µε αντίστοιχου µεγέθους ηλεκτρικά µηχανήµατα ψύξης. Οικονοµική λειτουργία. Το λειτουργικό κόστος µπορεί να είναι ως και 45% µικρότερο σε σύγκριση µε αυτό των ηλεκτρικών ψυκτών αντιστοίχου µεγέθους. Μείωση των δαπανών για ηλεκτρικό ρεύµα εξ αιτίας της ελάττωσης των αιχµών ζήτησης. (Χρέωση ισχύος και Ενέργειας) 3

4 Μικρότερο κόστος συντήρησης λόγω της απουσίας κινουµένων µερών στα µηχανήµατα απορρόφησης. Αποφυγή εγκατάστασης ηλεκτρικών υποσταθµών λόγω της σχεδόν µηδενικής απαίτησης ηλεκτρικού ρεύµατος για την λειτουργία τους. (κόστος και χώρος). (π.χ. Ένας ψύκτης απόδοσης 1000kW απαιτεί µόνο 6 kw ηλεκτρικό ρεύµα για τον καυστήρα και τους κυκλοφορητές). Μείωση του ενεργειακού κόστους και εξοικονόµηση πόρων από αυτό για διάθεσή τους σε άλλες επενδύσεις. Εξοικονόµηση χώρου στην περιοχή εγκατάστασης ειδικά στην περίπτωση που απαιτείται και θέρµανση και ψύξη. (Στην ουσία καταργούνται τα λεβητοστάσια) Στις επόµενες διαφάνειες δίνονται κάποια αντιπροσωπευτικά παραδείγµατα των οικονοµικών πλεονεκτηµάτων που προσφέρουν οι συγκεκριµµένοι ψύκτες στα διάφορα µεγέθη τους... Β) Περιβαλλοντικά. ιεύρυνση της χρήσης καυσίµων και τεχνολογιών φιλικών προς το περιβάλλον. Χρήση νερού αντί για CFC s ή HCFC s (chlorofluorocarbons or Hydrofluorocarbons) (χλωροφλοράνθρακες ή υδροχλωροφλοράνθρακες ) ως ψυκτικό µέσον. ραστική µείωση των εκποµπών ρύπων από τους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος της ΕΗ. Υπολογίζεται ότι για έναν ηλεκτρικό ψύκτη ισχύος 800 kw ένας σταθµός παραγωγής της ΕΗ θα εκπέµψει περίπου τόνους ιοξειδίου του Άνθρακα σε διάρκεια 10 ετών. Καταλαβαίνουµε όλοι προφανώς ποιό είναι το περιβαλλοντικό όφελος σ αυτή την περίπτωση. Ακίνδυνη λειτουργία λόγω των συνθηκών λειτουργίας (χαµηλή θερµοκρασία, σχεδόν µηδενική πίεση, ακίνδυνο και σταθερό ψυκτικό µέσο). Γ) Ενεργειακά Μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Μείωση του µέγιστου φορτίου στο ηλεκτρικό δίκτυο της ΕΗ, εξ αιτίας του κλιµατισµού, µε ότι αυτό συνεπάγεται (Βασικά την αποφυγή της υπερφόρτωσης και την αποφυγή ανεπιθύµητων Black Outs. Υποκατάσταση ηλεκτρικής ενέργειας από φυσικό αέριο σε «κρίσιµες» χρονικά περιόδους (καλοκαίρι, µεσηµβρινές ώρες), όταν η ΕΗ φθάνει σε οριακά σηµεία επάρκειας τροφοδότησης των καταναλωτών της. 4

5 Ελάττωση 30-40% της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος σε ένα κτίριο. Οποιαδήποτε θερµική ενέργεια υψηλής θερµοκρασίας που αποβάλλεται µπορεί να γίνει εκµεταλλεύσιµη και να χρησιµοποιηθεί ως εφαρµογή εξοικονόµησης οδηγώντας την σ έναν ψύκτη απορρόφησης ως πηγή θερµότητας. (Οι ψύκτες απορρόφησης έχουν την δυνατότητα να χρησιµοποιήσουν πέρα από το φυσικό αέριο ως καύσιµο και άλλες πηγές ενέργειας όπως ατµός, καυσαέρια, ζεστό νερό από ηλιακούς συλλέκτες. Έτσι η χρήση τους είναι ιδιαίτερα ελκυστική από τα νοσοκοµεία και από άλλες µεγάλες βιοµηχανικές εγκαταστάσεις πολλές από τις οποίες διαθέτουν τέτοιες εναλλακτικές πηγές ενέργειας). ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ Οι βαθµοί απόδοσης των ψυκτών απορρόφησης, σ αντίθεση µ αυτά που πολλοί από µας ως τώρα γνώριζαν, έχουν βελτιωθεί κατά πολύ κάνοντας την χρήση τους ιδιαίτερα ελκυστική. Coefficient Of Performance (COP) Φορτίο % 100% 75% 50% Μικρά Μεγέθη 16 kw kw 1,015 1,1711 1,2640 Μεγάλα Μεγέθη 174 kw ,340 1,546 1,595 25% 0,906 1,241 Σηµ. Συµπεριλαµβάνονται τα ηλεκτρικά φορτία ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ Ενώ η µέχρι σήµερα ζήτηση και χρήση του Φυσικού Αερίου για θέρµανση είναι σχετικά διαδεδοµένη, η χρησιµοποίησή του για ψύξη είναι ακόµη σε αρκετά πρώιµο στάδιο. Η πολιτική και τα κίνητρα που εφαρµόζονται αυτή την στιγµή για την αύξηση της διάδοσης των µηχανηµάτων παραγωγής ψύξης µε φυσικό αέριο τα οποία σηµειωτέον, διαθέτουν επιπλέον την ικανότητα να παράγουν και θέρµανση και ζεστό νερό χρήσης, σχετίζονται µε: Ενηµέρωση των καταναλωτών από τους αρµόδιους φορείς για τα πλεονεκτήµατα της ψύξης µε φυσικό αέριο. Την χρηµατοδότηση για την αγορά και εγκατάσταση τέτοιων µηχανηµάτων είτε µέσω κρατικών επιχορηγήσεων είτε µέσω των ειδικών κοινοτικών 5

6 ΕΠιχειρησιακών ΑΝαπτυξιακών προγραµµάτων που αφορούν την εξοικονόµηση ενέργειας, είτε µέσω συµψηφιστικών διαδικασιών στους λογαριασµούς από τις Εταιρείες Παροχής Αερίου, κάποιες από τις οποίες κάνουν και τις µελέτες εφαρµογής. Την θεσµοθέτηση εκπτώσεων που παρέχονται στους καταναλωτές από τις εταιρείες παροχής αερίου, για την χρήση του φυσικού αερίου µε σκοπό τον κλιµατισµό. (Καθιέρωση διαφορετικών τιµολογίων θέρµανσης και ψύξης κατά τα πρότυπα της τιµολογιακής πολιτικής του πετρελαίου θέρµανσης και κίνησης). Υπάρχει ήδη διαφορετική τιµολογιακή πολιτική για χρήση Φυσικού Αερίου για θέρµανση τον Χειµώνα και διαφορετική για ψύξη τους Καλοκαιρινούς µήνες από τις διάφορες ΕΠΑ. (0.026 /kwh /kwh) Την προώθηση της χρήσης µηχανηµάτων ψύξης µε Φυσικό Αέριο στα νέα κτίρια, κυρίως στα δηµόσια, και ιδιαίτερα στα νοσοκοµεία στα οποία είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν από τα ίδια µηχανήµατα επιπλέον και άλλοι εναλλακτικοί τρόποι ψύξης όπως, καυσαέρια, ατµός, ζεστό νερό κλπ., ελαχιστοποιώντας τις ενεργειακές ηλεκτρικές απαιτήσεις όπως αναφέραµε παραπάνω. ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εγκατεστηµένα συστήµατα ψύξης µε φυσικό αέριο στην Ελλάδα ήδη διαθέτουν: Νοσοκοµείο Ευαγγελισµός. ΕΠΑ Αττικής Ξενοδοχείο LEDRA MARRIOT Συγκρότηµα κινηµατογράφων City Plaza Νοσηλευτικό συγκρότηµα ΙΑΣΩ Βιοµηχανική Μονάδα ΜΑΪΛΗΣ Γενικό Νοσοκοµείο Αεροπορίας (ΓΝΑ) Ξενοδοχείο ART MARNI HOTEL ΕΠΑ Θεσ/νίκης Ξενοδοχείο EL-GRECO Ετ. Θέρµανσης Κλιµατισµού Γ. Κατσίβελος Εταιρεία Ενδυµάτων MERIT-MEKE Tα περισσότερα απ όλα τα παραπάνω συστήµατα είναι εγκατεστηµένα στις περιοχές Αθήνας και Θεσσαλονίκης. Το οικονοµικό πλεονέκτηµα των συστηµάτων κλιµατισµού µε αέριο έναντι ηλεκτρικών συστηµάτων εξαρτάται από τις ώρες ετήσιας λειτουργίας και είναι σηµαντικό. Στην περίπτωση µικρών συστηµάτων, και µετά από αποσβέσεις και φόρους : 6

7 Ο χρόνος αποπλήρωµής της διαφοράς επένδυσης κυµαίνεται µεταξύ 2-4 ετών. Η οικονοµική απόδοση της διαφοράς επένδυσης εκτιµάται µεταξύ 20 80%. Για τα µεγάλα συστήµατα, δίδονται τα αποτελέσµατα δύο τεχνοοικονοµικών συγκρίσεων λειτουργίας σε περιπτώσεις εγκατεστηµένων ψυκτών, ενός σε µία ξενοδοχειακή µονάδα και ενός δεύτερου σε ένα εµπορικό κέντρο. Στην πρώτη περίπτωση της ξενοδοχειακής µονάδας η ψυκτική απαίτηση ήταν kw και το ωριαίο κόστος λειτουργίας ήταν 21,96 για τον ηλεκτρικό ψύκτη, ενώ για τον ψύκτη απορρόφησης 13,85. Παρατηρούµε µία διαφορά της τάξης του 37%µεταξύ των δύο. Αντίστοιχη είναι η διαφορά στην δεύτερη περίπτωση του εµπορικού κέντρου του οποίου η ψυκτική απαίτηση είναι πολύ µεγαλύτερη της τάξης των 7MW µε 131,74 έναντι 83,66 στο κόστος λειτουργίας. Αν αυτό το ανάγουµε σε λειτουργία ενός έτους δηλαδή ώρες που αντιστοιχούν στην ζήτηση κατά την καλοκαιρινή περίοδο, βλέπουµε ότι το ξενοδοχείο πληρώνει λιγότερα ενώ το εµπορικό κέντρο λιγότερα για κλιµατισµό ΜΟΝΟ από την λειτουργία των ψυκτών, και χωρίς να υπολογίζονται στο συγκεκριµένο παράδειγµα τα οφέλη στην χρέωση της ενέργειας που προκύπτουν από την ελάττωση της απαιτούµενης ζητούµενης ισχύος στα δύο συγκροτήµατα. Οι ηλεκτρικοί ψύκτες ενώ λειτουργούν τέλεια κάτω από οµαλή παροχή ηλεκτρικού ρεύµατος, συχνά προκαλούν πολλά προβλήµατα όταν σε πολλές περιοχές οι συνθήκες ηλεκτρικής παροχής είναι κακές (πτώσεις τάσης, ασυνέχειες φάσεων κλπ.). Σε αυτές τις περιοχές οι ηλεκτρικοί ψύκτες δεν είναι κατάλληλοι να καλύψουν το µεταβαλλόµενο ψυκτικό φορτίο σύµφωνα µε τις εποχιακές αλλαγές. Αυτές οι συνθήκες µπορούν να βελτιωθούν µε την αντικατάσταση των ηλεκτρικών ψυκτικών συστηµάτων µε εκείνα που χρησιµοποιούν διαφορετικά είδη ενέργειας, και τα οποία από άποψη λειτουργικότητας και οικονοµίας είναι πιο ικανοποιητικά έναντι της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ψύκτες απορρόφησης παραδοσιακά αποτελούν την αξιόπιστη εναλλακτική λύση για την αξιοποίηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας έναντι της ηλεκτρικής. 7