ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ (1859). Η

Transcript

1 Κ.Α. Μπαλαράς ρ. Μηχ/γος Μηχ/κός, /ντης Ερευνών Οµάδα Εξοικονόµησης Ενέργειας (ΟΕΕ) Ινστιτούτο Ερευνών Περιβάλλοντος & Βιώσιµης Ανάπτυξης (ΙΕΠΒΑ) ΕΘΝΙΚΟ ΑΣΤΕΡΟΣΚΟΠΕΙΟ ΑΘΗΝΩΝ (ΕΑΑ) www. noa.gr Ερευνητικό Ίδρυµα, ΝΠ εποπτευόµενο από τη Γενική Γραµµατεία Έρευνας & Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης Disclaimer: The content of this presentation reflects the views of the authors. It does not represent the opinion of the Community. The authors and the European Commission are not responsible for any use that may be made of the information contained therein.

2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Οιβασικέςαρχέςτηςηλιακήςψύξηςκατοχυρώθηκαν µε δίπλωµα ευρεσιτεχνίας στην Γαλλία από τον Ferdinand Carré (1859). Ηπρώτηµηχανή βγήκε στην αγορά το Μέγιστα ψυκτικά φορτία το καλοκαίρι σε συνδυασµό µε διαθέσιµη υψηλήηλιακήακτινοβολία=> ευκαιρία να εκµεταλευθούµε την ηλιακή ενέργεια µε ψύκτες που απαιτούν θερµότηταγιατηνλειτουργίατους. Εµπόδια: Υψηλό αρχικό κόστος, περιορισµένη πρακτική εµπειρία για το σχεδιασµό, έλεγχο, λειτουργία, εγκατάσταση & συντήρηση. Περιορισµένος αριθµός εµπορικά διαθέσιµων µηχανών µικρής ψυκτικής ισχύος.

3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ πχ Απορρόφησης (Absorption) & Προσρόφησης (Adsorption) Παράγουν παγωµένο νερό που µπορεί να συνδυαστεί µε οποιοδήποτε κλιµατιστικό µηχάνηµα (ΚΚΜ, FCUs, ψυχόµενες οροφές κλπ). Χρησιµοποιούνται µίγµατα Η 2 Ο/LiBr ή NH 3 /H 2 O(απορρόφησης) και µίγµα Η 2 Ο/πήκτωµα πυριτίου (προσρόφησης). ΑΝΟΙΚΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ πχ Αφύγρανσης-Εξάτµισης (Desiccants) Το ψυκτικό µέσοαπορρίπτεταιαπότοσύστηµα µετά από τη ψυκτική του δράση και αντικαθίσταται από νέο ψυκτικό µέσο κατά µια συνεχή ανοικτή διαδικασία. Χρησιµοποιούνται στερεοί αφυγραντές σε ΚΚΜ (τροχοί αφύγρανσης) ή υγρά (νέα συστήµατα σε ερευνητικό στάδιο που ουσιαστικά λειτουργούν ως ανοικτού κύκλου συστήµατα απορρόφησης, µε νερό που χρησιµεύει ως ψυκτικό µέσο).

4 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Συστήµατα Κλειστού Κύκλου - Απορρόφησης Πλέον διαδεδοµένα συστήµατα ηλιακού κλιµατισµού Το LiBr απορροφά νερό. Το νερό εξατµίζεται σε χαµηλές θερµοκρασίες, όταν βρίσκεται σε συνθήκες χαµηλής πίεσης. Με την εξάτµιση του νερού προκαλείται πτώση της θερµοκρασίας, µεαποτέλεσµανα παράγεται ψυχρό νερό. Οι υδρατµοί απορροφούνται απο το LiBr, συνεπώς προκαλείται πτώση της πίεσης και επαναλαµβάνεται ο κύκλος (µέχρι η πίεση των υδρατµών να εξοµοιωθεί). Μίγµατα: LiBr/H 2 O & H 2 O/NH 3

5 ΝΕΡΟ ΨΥΞΗΣ Απο πύργο ψύξης Απαγωγή θερµότητας που απελευθερώνεται απο την απορρόφηση υδρατµών απο LiBr υγροποίηση υδρατµών & µείωση θερµοκρασίας του νερού στο δοχείο συµπύκνωσης. ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Αναγέννηση LiBr: θέρµανση διαλύµατος εξάτµιση υδρατµών. Εναλλάκτης ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ θερµότητας Υγροποίηση υδρατµών που παράγονται στη γεννήτρια και οδηγούνται στον εξατµιστή. Συµπυκνωτής Γεννήτρια Ισχυρό διάλυµα Κενό Πρός πύργο ψύξης Ατµός ή ζεστό νερό ï C ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ Ψύξη και επιστροφή στο δοχείο απορρόφησης. ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΡΑΣ & ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΣ οχεία σε κενό, ο χώρος καλύπτεται απο υδρατµούς ιάλυµα LiBr απορροφά υδρατµούς (χαµηλή πίεση) που οδηγεί τους υδρατµούς απο τον εξατµιστή στον απορροφητήρα Απορροφητήρας Εξατµιστής Νερό 4 C Κρύο νερό Το νερό εξατµίζεται απορροφώντας θερµότητα απο το κύκλωµακρύουνερού Ασθενές διάλυµα απορροφητή LiBr + νερό Το αραιωµένο διάλυµα τροφοδοτείται στην γεννήτρια όπου θερµαίνεται και εξατµίζονται οι υδρατµοί. Πολλαπλών Βαθµίδων: Εκµετάλλευση της απορριπτόµενης θερµότητας από τον συµπυκνωτή για να τροφοδοτήσει επιπλέον στάδια απορρόφησης και να διπλασιαστεί ή να τριπλασιαστεί η ποσότητα του ψυκτικού µέσου που αφαιρείται από το διάλυµα.

6 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Συστήµατα Κλειστού Κύκλου - Προσρόφησης Αντί της απορρόφησης του ψυκτικού στο διάλυµα, γίνεται προσρόφηση του ψυκτικού µέσου στις εσωτερικές επιφάνειες ενός υψηλά προσροφητικού πορώδους υλικού. Κύκλος: Το ψυκτικό µέσο µετά την προσρόφησή του στον ένα προσροφητή αποµακρύνεται µέσω του ζεστού νερού (δεξιός θάλαµος). Το ψυκτικό µέσο συµπυκνώνεται και η θερµότητα συµπύκνωσης αποβάλλεται µε νερό ψύξης. Το συµπύκνωµα ψεκάζεται στον εξατµιστή και εξατµίζεται υπό χαµηλή µερική πίεση, παράγοντας κρύο νερό. Οι ατµοί προσροφώνται στον αριστερό θάλαµο. Η θερµότητα αποβάλλεται µε νερό ψύξης. Προσροφητικό Μέσο: Η 2 Ο/πήκτωµα πυριτίου silica gel Υψηλότερη απόδοση από συστήµατα απορρόφησης σε χαµηλές θερµοκρασίες προσαγόµενης θερµότητας Χωρίς κινητά µέρη, Χωρίς προβλήµατα κρυσταλλοποίησης Περιοδικά διακοπτόµενη λειτουργία (ηµισυνεχής κύκλος), υψηλότερων απαιτήσεων σχεδιασµός συστήµατος και ελέγχου λειτουργίας. Μηχανές µε µεγαλύτερες φυσικές διαστάσεις και βάρος. Υψηλότερο κόστος ανά kw ψυκτικής ικανότητας. Μικρός αριθµός κατασκευαστών

7 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Συστήµατα Ανοικτού Κύκλου Αφύγρανση αέρα µε ΣτερεάήΥγράυλικά προσρόφησης. - Στερεά (silica gel) Τροχός σε ΚΚΜ (desiccant wheel), για συνεχή λειτουργία. Συνηθίζεται όταν οι αλλαγές αέρα ή/και η αφύγρανση του εσωτερικού αέρα υπόκεινται σε υψηλές προδιαγραφές (πχ µουσεία, χώροι συνάθροισης µευψηλάεσωτ. φορτία, supermarkets). - Υγρά Ουσιαστικά ένα σύστηµα απορρόφησης ανοικτού κύκλου, όπου το νερό χρησιµοποιείται ως ψυκτικό µέσο. Περιλαµβάνει έναν αφυγραντήρα (απορροφητήρα) και µια γεννήτρια για την αναγέννηση του διαλύµµατος, σε διάταξη πύργου. Λιγότερα τµήµατα (χωρίς συµπυκνωτή, ησυµπύκνωση του ψυκτικού γίνεται στο περιβάλλον). Το σύστηµαλειτουργείσεατµοσφαιρική πίεση. Πιο αποδοτική εκµετάλλευση θερµότητας χαµηλής θερµοκρασίας (έως C). εν υπάρχει ακόµη εµπορική διαθεσιµότητα. Απαιτείται περαιτέρω βελτιστοποίηση.

8 ΤΥΠΙΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ Ηλιακοί Συλλέκτες Αποθήκη Ζ.Ν. ίκτυο ιανοµής Ζ.Ν. Μονάδα Ψύξης Αποθήκη Ψ.Ν.(προαιρετικό) ΣύστηµαΚλιµατισµού ίκτυο ιανοµής Ψ.Ν. Εφεδρικό ΣύστηµαΘέρµανσης Ψύξης ενσωµατώνεται στην εγκατάσταση είτε ως εφεδρική θέρµανση, είτε ως εφεδρικός ψύκτης ή και τα δύο

9 SACE Solar Air-Conditioning in Europe - Αρχές Σχεδιασµού - Εργαλείο αρχικών υπολογισµών - Παρουσίαση, ανάλυση & αξιολόγηση 54 εφαρµογών: - 12 in Germany - 2 in Austria - 3 in Malta - 1 in Croatia - 5 in Hellas - 1 in Spain - 1 in Kosovo - 4 in Israel - 15 from Cordis - 10 IEA projects

10 Συντελεστής Θερµικής Απόδοσης COP Πηλίκο ψυκτικής ισχύος προς τη θερµική ισχύ που αποδίδεται στο σύστηµα από τα ηλιακά, άµεσα ή έµεσα από την αποθήκη Απορρόφησης (µονοβάθµια): 0,50 0,73 Μ.Ο. LiBr/H 2 O 0,66 H 2 O/NH 3 0,60 Προσρόφησης 0,59 Απαιτούνται χαµηλότερες θερµοκρασίες από τα ηλιακά ιπλής βαθµίδας T hot ( o 117 C)

11 Ηλιακοί Συλλέκτες Adsorption & Absorption: 2-5 m²/kw Μέση ειδική επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών 3,6 m 2 /kw

12 Ηλιακοί Συλλέκτες Επίπεδοι (63%) C Κενού (21%) C Παραβολικοί Σταθεροί (10%) ή Κινούµενοι (6%) C Το COP αυξάνεται µε την οδηγό θερµοκρασία

13 Αρχικό Κόστος Εξαρτάται από: - Ψυκτική ισχύ - Τύπο συλλεκτών - Στάδιο ανάπτυξης - Αρχή λειτουργίας Μέσο αρχικό κόστος 4000 Ευρώ/kW

14 Πραγµατικές αποδόσεις COP Υψηλότερη απόδοση Συστήµατα LiBr/H 2 O Οι ψύκτες προσρόφησης είναι συνήθως λιγότερο αποδοτικοί Μέσος ετήσιος συντελεστής θερµικής απόδοσης COP = 0,58

15 Πραγµατικές αποδόσεις Κατανάλωση Βοηθητικού Εξοπλισµού Τα συστήµατα απορρόφησης έχουν τη µικρότερη κατανάλωση Συστήµατα LiBr/H 2 O = 0,018 kwh/kwh Τα συστήµατα Αφύγρανσης-Εξάτµισης έχουν την υψηλότερη κατανάλωση Solid desiccant systems = 0,631 kwh/kwh Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από αντλίες & ανεµιστήρες = 0,225 kwh/kwh

16 Πραγµατικές αποδόσεις Κατανάλωση Νερού Υψηλότερη κατανάλωση Συστήµατα προσρόφησης: 7,1 kg.h -1 /kw Για την πλειοψηφία των συστηµάτων: 4-6 kg.h -1 /kw Μέση ετήσια κατανάλωση νερού = 5,3 kg.h -1 /kw

17 Πραγµατικές αποδόσεις Κόστος Εκµετάλλευσης Χαµηλότερο µέσο κόστος LiBr/H 2 O απορρόφησης: 0,16 Ευρώ/kWh Μέσο ετήσιο κόστος = 0,65 Ευρώ/kWh

18 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ Ο ΗΓΙΕΣ Ελαχιστοποίηση θερµικών & ψυκτικών φορτίων Κάθε τεχνολογία έχει συγκεκριµένα χαρακτηριστικά που ταιριάζουν µε το σχεδιασµό των συστηµάτων HVAC του κτιρίου, τα φορτία και τις κλιµατολογικές συνθήκες της περιοχής Ένας καλός σχεδιασµός της εγκατάστασης πρέπει πρώτα να εκµεταλλεύεται όλη τη διαθέσιµη ηλιακή ενέργεια και µετά να καλύπτει τα υπόλοιπα φορτία από συµβατικές πηγές Η επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών και το µέγεθος της δεξαµενής αποθήκευσης εξαρτάται από την τεχνολογία Ηαποθήκηζεστούνερούµπορεί να τοποθετηθεί µεταξύ των συλλεκτών και του ψύκτη, έτσι ώστε να αποσβαίνονται οι διακυµάσεις στη θερµοκρασία επιστροφής

19 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ Ο ΗΓΙΕΣ - ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Οι µονοβάθµιες µηχανές αποδίδουν καλύτερα µε οδηγό θερµοκρασία από 80 έως 100 o C Σε θερµάκλίµατα µε υψηλή ηλιοφάνεια απαιτούνται 3-4 m 2 συλλεκτών / kw ψύξης Οι διβάθµιες & τριβάθµιες µηχανές απαιτούν υψηλότερη θερµοκρασία οδηγό συνήθως από υψηλότερου κόστους συλλέκτες κενού ή παραβολικούς, και µπορεί να απαιτηθεί αποθήκη υψηλής θερµοκρασίας Οι περισσότερες εφαρµογές µεγάλης κλίµακας (>300 kw) χρησιµοποιούν LiBr/H 2 O, αποδίδονταςκρύονερό6-7 o C Οι µηχανές LiBr είναι υδρόψυκτες (απαιτείται πύργος ψύξης), ενώ οι µηχανές NH 3 µπορεί να είναι αερόψυκτες Οι µηχανές LiBr έχουν συνήθως µεγάλες διαστάσεις

20 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ Ο ΗΓΙΕΣ - ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Στις µηχανές LiBr το ψυκτικό µέσο παγώνει στους 0 o C (χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή το χειµώνα, όταν η µηχανή είναι σε αδράνεια) Πιθανή κρυσταλλοποίηση του διαλύµατος LiBr σε υψηλές συγκεντρώσεις (λόγω υψηλής θερµοκρασίας της γεννήτριας ή ανεπαρκής έλεγχος θερµοκρασίας σε άλλα τµήµατα της µηχανής) Απαιτείται προσεκτικός έλεγχος της παρεχόµενης θερµότητας από τους ηλιακούς συλλέκτες ή την αποθήκη θερµότητας Η βοηθητική πηγή θερµότητας συνήθως καλύπτεται µεέναλέβητα Προσοχή: κατά τις περιόδους µε χαµηλή διαθέσιµη ηλιακή ακτινοβολία, οι ηλιακοί συλλέκτες που είναι συνδεδεµένοι σε σειρά µε τονλέβηταµπορεί να καταλήξουν να λειτουργούν ως καταβόθρα θερµότητας

21 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ Ο ΗΓΙΕΣ - ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ Η περιοδική λειτουργία του κύκλου προκαλεί διακυµάνσεις σε όλα τα επίπεδα θερµοκρασιών Για να σταθεροποιηθεί η λειτουργία, χρησιµοποιούνται αποθήκες θερµότητας ζεστού και κρύου νερού Απαιτούνται αντλίες µεταβλητών στροφών για να προσαρµόζουν την ροή µέσααπότουςηλιακούςσυλλέκτεςκαιγιαναπαρέχουντην επιθυµητή θερµοκρασία εξόδου που ταιριάζει στις συνθήκες λειτουργίας Οι εµπορικά διαθέσιµες µηχανές έχουν ένα κύκλο λειτουργίας 3-5 λεπτά. Υπό µερικό φορτίο, επεκτείνοντας την περίοδο του κύκλου µπορεί να αυξήσει το COP (εκµεταλλευόµενοι την προσροφητικότητα των υλικών για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα) Χρησιµοποιείταιαποθήκηγιατοκρύονερόώστενααποφεύγεταιτο πάγωµατουεξατµιστή (λειτουργεί η αντλία του κρύου νερού για 10 λεπτά µετά την ολοκλήρωση του κύκλου θέρµανσης του ψύκτη, έτσι ώστε να αποφευχθεί το αναγεννηµένο προσροφητικό υλικό να προκαλέσει συνεχόµενη εξάτµιση του νερού στον εξατµιστή κάτω από τη θερµοκρασία παγώµατος)

22 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΚΑΛΛΥΝΤΙΚΩΝ ΟΙΝΟΦΥΤΑ (1999) Κάλυψη 40% του ψυκτικού φορτίου του εργοστασίου ( m 2, m 3 ) Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (2 700 m 2 ) ύο ψύκτες προσρόφησης (2 Χ 350 kw)

23 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΞΕΝΟ ΟΧΕΙΑ ΚΡΗΤΗ (2001) Περίπου 35 δωµάτια (2400 m 2 ) Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (450 m 2 ) Ψύκτης απορρόφησης (105 kw)

24 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΞΕΝΟ ΟΧΕΙΑ ΚΡΗΤΗ (2001) Περίπου 60 δωµάτια (3000 m 2 ) Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (500 m 2 ) Ψύκτης απορρόφησης (105 kw)

25 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΓΡΑΦΕΙΑ ΑΘΗΝΑ (2007) Πενταόροφο κτίριο γραφείων (600 m 2 ) Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (84,6 m 2 ) Εποχιακή αποθήκευση θερµότητας Ψύκτης απορρόφησης Χαµηλών θερµοκρασιακών απαιτήσεων σύστηµα απόδοσης ψύξης / θέρµανσης (επιτοίχιο & ενδοδαπέδιο σύστηµα) Γεωθερµική αντλία θερµότητας Φωτοβολταϊκά (4,4 kw) BMS Ελαχιστοποίηση θερµικών & ψυκτικών φορτίων

26 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ HIGH-COMBI High Solar Fraction Heating and Cooling Systems With Combination of Innovative Components and Methods Συνδυασµένη εκµετάλλευση βελτιστοποιηµένων τεχνολογιών, ηλιακής θέρµανσης, ψύξης και αποθήκευσης, για υψηλές αποδόσεις. Πιλοτικές εγκαταστάσεις µε διαφορετικούς συνδυασµούς τεχνολογιών, επιµέρους συστηµάτων και αυτοµατισµών ελέγχου (Ελλάδα, Ιταλία, Αυστρία, Ισπανία). Υψηλό ποσοστό εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και οικονοµική απόδοση, καλύπτοντας σε ορισµένες περιπτώσεις 70% των φορτίων θέρµανσης χώρων, ζεστού νερού χρήσης, και ψύξης. Αξιολόπγηση διαφορετικών τεχνικών, επιµέρους συστηµάτων και συνδυασµοί τους (πχ νέοι τρόποι αποθήκευσης, εκµετάλλευση της απορριπτόµενης θερµότητας για ψύξη, συνδυασµένος έλεγχος θέρµανσης και ψύξης). Μετρήσεις και παρακολούθηση αποδόσεων & λειτουργίας εγκαταστάσεων. Αξιολόγηση του δυναµικού διείσδυσης των συστηµάτων αυτών στην Ευρωπαϊκή αγορά θέρµανσης ψύξης.

27 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ HIGH-COMBI High Solar Fraction Heating and Cooling Systems With Combination of Innovative Components and Methods

28 Για περισσότερες πληροφορίες IEA TASK 25 Solar Assisted Air Conditioning of Buildings IEA TASK 38 Solar Air Conditioning & Refrigeration

29 Για περισσότερες πληροφορίες CLIMASOL Promoting solar air conditioning SACE Solar Air-Conditioning in Europe

30 Για περισσότερες πληροφορίες SOLCO Removal of non-technological barriers to Solar Cooling technology across southern European islands

31 Ευχαριστώ για την προσοχή σας... Κ.Α. ΜΠΑΛΑΡΑΣ, Ph.D. ρ. Μηχ/γος Μηχ/κος, ιευθυντής Ερευνών ΙΕΠΒΑ Οµάδα Εξοικονόµησης Ενέργειας (ΟΕΕ) Ινστιτούτο Ερευνών Περιβάλλοντος & Βιώσιµης Ανάπτυξης (ΙΕΠΒΑ) ΕΘΝΙΚΟ ΑΣΤΕΡΟΣΚΟΠΕΟ ΑΘΗΝΩΝ (ΕΑΑ)