ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΧΡΗΣΗΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ KATΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΩΝ ΔΕΙΡΓΑΣΙΩΝ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΓΙΣ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΧΡΗΣΗΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ ΒΑΒΟΥΡΑΣ ΣΤΕΡΓΙΟΣ ΑΕΜ: 5071 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΓΙΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΙ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΔΡ. ΕΥΦΡΟΣΥΝΗ ΓΙΑΜΑ - ΚΥΡΙΑΚΗ ΕΛΛΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2016

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί κινητήριο μοχλό στο κομμάτι της έρευνας νέων τεχνολογιών. Στο τομέα των συστημάτων θέρμανσης κατοικιών είναι πολύ σημαντικό να υπάρξει μια νέα εφαρμόσιμη τεχνολογία η οποία να μας απομακρύνει από τα συμβατικά συστήματα θέρμανσης-ψύξης. Η χρήση των ορυκτών καυσίμων παγκοσμίως είναι αναγκαίο να μειωθεί με αποτέλεσμα οποιαδήποτε προσπάθεια εξέλιξης και καινοτομίας να έχει εστιάσει στις ανανεώσιμες πήγες ενέργειας. Ένα εξελιγμένο σύστημα θέρμανσης που θα απαιτεί λιγότερη ενέργεια λειτουργίας θα μπορούσε να επιτύχει υψηλή εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς η εφαρμογή του μόνο στις κατοικίες θα επηρέαζε σημαντικά έναν κλάδο υπεύθυνο για το 36% της συνολικής τελικής καταναλισκόμενης ενέργειας στην Ευρώπη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε η μελέτη ενός συνδυαστικού ηλιοθερμικού συστήματος κάλυψης φορτίων ζεστού νερού χρήσης, αλλά και φορτίων θέρμανσης για κτίριο κατοικίας στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Έγινε ο σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του συστήματος για την συγκεκριμένη κατοικία και η τελική απόδοση του εξετάστηκε και συγκρίθηκε με έναν συμβατικό τύπο συστήματος θέρμανσης με την χρήση του προσομοιωτικού προγράμματος Polysun. Σε αυτό το σημείο, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς εκείνους τους ανθρώπους που βοήθησαν να ολοκληρωθεί η παρούσα εργασία. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Άγι Παπαδόπουλο για την ανάθεση του συγκεκριμένου θέματος, και τις γνώσεις που αποκόμισα από αυτόν τόσο κατά την διάρκεια της εργασίας όσο και κατά την διάρκεια των σπουδών μου. Επιπλέον οφείλω να ευχαριστήσω την Δρ. Γιαμά Ευφροσύνη για την ενασχόληση και τις υποδείξεις της που με βοήθησαν να επιλύσω τα προβλήματα που προέκυψαν, όπως επίσης και την υποψήφια διδάκτορα Κυριάκη Έλλη για τις χρήσιμες συμβουλές και την καθοδήγηση της κατά την διάρκεια της εκπόνησης του θέματος. Τέλος φτάνοντας κοντά στο τέλος των σπουδών μου, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου για την υπομονή και την στήριξη στην προσπάθεια μου όλα αυτά τα χρόνια και τους φίλους μου για την διαρκή συμπαράσταση όλο αυτό το διάστημα. ii

3 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ενέργεια και Ορυκτά Καύσιμα Εναλλακτικές Ανανεώσιμες Πήγες Ενέργειας Ενέργεια στον Κτιριακό Τομέα Σκοπός Αντικείμενο Μεθοδολογία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Τα Ηλιοθερμικά Συστήματα Παγκοσμίως Νέα Εγκατεστημένη Ισχύς και Εξέλιξης της Αγοράς Εφαρμογές Ηλιοθερμικών Συστημάτων ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ηλιακή Ενέργεια Εκμετάλλευση Ηλιακής Ενέργειας Ενεργητικά Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Τμήμα Συλλογής Ηλιακός Συλλέκτης Βαθμός Απόδοσης Ηλιακού Συλλέκτη Θερμικές Απώλειες του Συλλέκτη Προσανατολισμός και Κλίση Ηλιακών Συλλεκτών Τμήμα Αποθήκευσης Συσσωρευτές Θερμότητας Μόνωση Συσσωρευτών Εναλλάκτες Θερμότητας Υπόλοιπες Διατάξεις του Συστήματος Υγρό Μεταφοράς της Θερμότητας Ηλιοθερμικά Συστήματα Συνδυασμένης Λειτουργίας Κάλυψης Φορτίων Νερού Θέρμανσης και ΖΝΧ (Solar Combisystems) Τύποι ηλιοθερμικών συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και την παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης Σύστημα Α: Δοχείο στο Δοχείο iii

4 3.8.3 Σύστημα Β: Εμβαπτισμένος Εναλλάκτης ΖΝΧ Σύστημα Γ : Εξωτερικός Εναλλάκτης ΖΝΧ Ελεγκτής του Ηλιοθερμικού Συστήματος ΜΕΛΕΤΗ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΚΑΤΟΙΚΙΑ Διαμόρφωση και Χαρακτηριστικά Κατοικίας Υπολογισμός Θερμικών Φορτίων Απωλειών Κτιρίου Μελέτη θερμικών αναγκών κτιρίου Εσωτερικά Θερμικά Κέρδη Υπολογισμός Κατανάλωσης Ενέργειας για Θέρμανση Υπολογισμός Κατανάλωσης και Θερμικού Φορτίου Ζ.Ν.Χ Διαστασιολόγηση Συλλεκτών Μέθοδος Καμπύλων f Εφαρμογή της Μεθόδου Καμπύλων f στο κτίριο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Λογισμικό Προσομοίωσης Polysun Δεδομένα Τοποθεσίας και Κλιματικά Δεδομένα Περιγραφή Ηλιοθερμικού Συστήματος Κύκλωμα Ηλιακών Συλλεκτών Ηλιακοί συλλέκτες Ηλεκτρονικός Πίνακας Έλεγχου Ηλιακού Κυκλώματος Συσσωρευτής Ενέργειας Κύριο Σύστημα Θέρμανσης Κλειστό Κύκλωμα θέρμανσης Κατοικίας Ανοιχτό Κύκλωμα Ζεστού Νερού Χρήσης Κτίριο Παρουσίαση Αποτελεσμάτων Προσομοίωσης Συστήματος Συμβατικό Σύστημα Λέβητας Αερίου χωρίς Ηλιακούς Συλλέκτες Ηλιοθερμικό Σύστημα Συνδυασμένης Λειτουργίας με Λέβητα Αερίου ως βοηθητική πηγή ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ iv

5 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1.1 Παγκόσμιες Ενεργειακές Επενδύσεις... 1 Εικόνα 1.2 Διείσδυση ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ελλάδας... 2 Εικόνα 1.3 Αριθμός χωρών και είδος ενεργειακής πολιτικής στο οποίο υπόκεινται... 3 Εικόνα 1.4 Ποσοστό ΑΠΕ στην καταναλισκόμενη ενέργεια στην Ελλάδα και την Ε.Ε Εικόνα 1.5 Ποσοστιαία κατανάλωση ενέργειας στις ελληνικές κατοικίες... 6 Εικόνα 2.1 Παγκόσμια ποσοστιαία εγκατεστημένη ισχύς σε λειτουργία... 9 Εικόνα 2.2 Παγκόσμια(πάνω) και Ευρωπαϊκή(κάτω) κατανομή συλλεκτών το Εικόνα 2.3 Χώρες με την μεγαλύτερη συνολικά εγκατεστημένη ισχύς συλλεκτών Εικόνα 2.4 Χώρες με την μεγαλύτερη εγκατεστημένη επιφάνειας ανά 1000 κατοίκους Εικόνα 2.5 Νέα εγκατεστημένη ισχύς ανά είδος συστήματος παγκοσμίως (2015) Εικόνα 2.6 Ετήσια παραγωγή ενέργειας συλλεκτών ανά χώρα και είδος συστήματος Εικόνα 2.7 Απόδοση παραμετροποιημένου συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας Εικόνα 2.8 Συνολικός αριθμός και εγκατεστημένη ισχύς Ηλιοθερμικών συστημάτων διανομής θερμότητας στην Ευρώπη Εικόνα 3.1 Μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία στην Ευρώπη Εικόνα 3.2 Ηλιακά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Εικόνα 3.3 Παράδειγμα συνδυασμού παθητικού και ενεργητικού ηλιακού συστήματος Εικόνα 3.4 Θεροσιφωνικό σύστημα ανοικτού και κλειστού βρόγχου Εικόνα 3.5 Ηλιοθερμικό σύστημα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας Εικόνα 3.6 Τομή ηλιακού συλλέκτη χωρίς κάλυμμα και μόνωση Εικόνα 3.7 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης και μέρη που τον αποτελούν Εικόνα 3.8 Συλλέκτης κενού και η λειτουργία του Εικόνα 3.9 Τυπικές καμπύλες απόδοσης διαφορετικών τύπων ηλιακών συλλεκτών Εικόνα 3.10 Απωλειες θερμοτητας και ηλιακα κερδη σε επιπεδο ηλιακο συλλεκτη Εικόνα 3.11 Τύποι συσσωρευτών θερμότητας Εικόνα 3.12 Θεωρητική Διαστρωμάτωση θερμοκρασίας σε θερμική δεξαμενή (αριστερά) και παράδειγμα κανονικής διαστρωμάτωσης δεξαμενής (δεξιά) Εικόνα 3.13 Εσωτερικοί εναλλάκτες θερμότητας (αριστερά) και συσσωρευτής με εσωτερικό εναλλάκτη (δεξιά) Εικόνα 3.14 Πλακοειδής και σωληνοειδής εξωτερικός εναλλάκτης v

6 Εικόνα 3.15 Μεταβολή σημείου πήξης (αριστερά) και θερμοκρασίας ατμοποίησης (δεξιά) της προπυλενογλυκόλης Εικόνα 3.16 Βαθμός απόδοσης ηλιακών συλλεκτών συναρτήσει θερμοκρασίας και τύπου συλλέκτη Εικόνα 3.17 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Α:Δοχείο στο Δοχείο Εικόνα 3.18 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Α: Εναλλακτική σύνδεση Εικόνα 3.19 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Β: Εμβαπτισμένος εναλλάκτης Εικόνα 3.20 Αναπαράσταση τυπικών θερμοδοχείων με εμβαπτισμένο εναλλάκτη Εικόνα 3.21 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Γ : Εξωτερικός εναλλάκτης Εικόνα 3.22 Τυπικός ελεγκτής ηλιοθερμικού συστήματος Εικόνα 4.1 Εσωτερική διαμόρφωση της υπό μελέτη κατοικίας Εικόνα 4.2 Το ποσοστό κάλυψης f συναρτήσει των παραμέτρων Χ και Υ Εικόνα 4.3 Μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία αναλόγως την γωνία κλίσης των συλλεκτών Εικόνα 4.4 Μηνιαία κάλυψη φορτίου ΖΝΧ Εικόνα 4.5 Μηνιαία κάλυψη συνολικών φορτίων Fi Εικόνα 4.6 Διερεύνηση επιλογής συλλεκτικής επιφάνειας μεθόδου καμπυλών-f Εικόνα 5.1 Κλιματικά δεδομένα τοποθεσίας Εικόνα 5.2 Κλειστό κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών Εικόνα 5.3 Χαρακτηριστικά συλλέκτη Εικόνα 5.4 Ρυθμίσεις ελεγκτή ηλιακού κυκλώματος Εικόνα 5.5 Χαρακτηριστικά συνδυαστικού θερμοδοχείου Εικόνα 5.6 Κύριο σύστημα θέρμανσης και τα χαρακτηριστικά του Εικόνα 5.7 Κλειστό κύκλωμα θέρμανσης Εικόνα 5.8 Ανοιχτό κύκλωμα ΖΝΧ Εικόνα 5.9 Συνολική εικόνα εγκατεστημένου ηλιοθερμικού συστήματος Εικόνα 5.10 Μηνιαία κατανάλωση ενέργειας συμβατικού συστήματος [kwh] Εικόνα 5.11 Μέση μηνιαία ηλιακή κάλυψη [%] Εικόνα 5.12 Συνολική μηνιαία κατανάλωση ενέργειας και καυσίμου [kwh] Εικόνα 5.13 Τυχαία στιγμή κατά την προσομοίωση του συστήματος Εικόνα 5.14 Ενεργειακός ισολογισμός συστήματος vi

7 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1 Ιεραρχία επιλογών ενεργειακής επάρκειας Κτιρίων... 5 Πίνακας 2.1 Μεταβολή ποσοστού κάλυψης λόγο κλίματος Πίνακας 2.2 Ποσοστό κάλυψης συναρτήσει των παρεμβάσεων Πίνακας 2.3 Χαρακτηριστικά λειτουργιάς εγκατεστημένων ηλιοθερμικών συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας στην Δανία Πίνακας 2.4 Μετρήσεις λειτουργιάς συνδυαστικού συστήματος Πίνακας 3.1 Χαρακτηριστικές τιμές περαμάτων απόδοσης διαφόρων ηλιακών συλλεκτών Πίνακας 4.1 Προσανατολισμός, επιφάνεια και συντελεστής θερμοπερατότητας δομικών στοιχείων κτιρίου Πίνακας 4.2 Υποθέσεις για τους υπολογισμούς φορτίων που αφορούν το κτίριο Πίνακας 4.3 Αποτελέσματα υπολογισμού θερμικού φορτίου κτιρίου και συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών Πίνακας 4.4 Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ανθρώπους Πίνακας 4.5 Διαχωρισμός επιφανειών κτιρίου σε ελεύθερες και σκευαζόμενες Πίνακας 4.6 Συνολικά εσωτερικά και ηλιακά θερμικά κέρδη Πίνακας 4.7 Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση με την μέθοδο βαθμοημερών μεταβλητής βάσης Πίνακας 4.8 Ημερήσια κατανάλωση ΖΝΧ κτιρίου Πίνακας 4.9 Υπολογισμός θερμικού φορτίου ΖΝΧ Πίνακας 4.10 Κάλυψη συνολικών φορτίων και υπολειπόμενο φορτίο Πίνακας 5.1 Ενεργειακά αποτελέσματα προσομοίωσης συμβατικού συστήματος Πίνακας 5.2 Ενεργειακά αποτελέσματα προσομοίωσης συνδυαστικού συστήματος combi 76 vii

8 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ενέργεια και Ορυκτά Καύσιμα Στις μέρες μας τίθενται, περισσότερο από ποτέ, προβληματισμοί σε σχέση με την ορθολογική χρήση της ενέργειας και την μετάβαση μας σε άλλες πιο καθαρές πηγές. Τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία χρειάστηκαν εκατομμύρια χρόνια να δημιουργηθούν από τις καθιζήσεις και ζυμώσεις στα υποστρώματα του πλανήτη, χρησιμοποιούνται σε τεράστιες ποσότητες ετησίως. Συγκεκριμένα στην Ευρωπαϊκή Ένωση (των 28 χωρών) τα ορυκτά καύσιμα συνεχίζουν να αποτελούν τον κύριο πάροχο καθαρής παραγόμενης ενέργειας, φτάνοντας το 49,8% αυτής το 2014 και όπως αναφέρει ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (International Energy Agency (IEA)) ο άνθρακας αποτελεί την γρηγορότερα αναπτυσσόμενη πηγή ενέργειας από την αρχή του 21 ου αιώνα [1]. Επίσης ανησυχητικό είναι το γεγονός ότι δεν υπάρχει τάση μείωσης των επενδύσεων για την εξόρυξη ορυκτών καυσίμων από το Όπως φαίνεται και στην εικόνα 1.1 ακόμα και το 2013 το 70% των συνολικών επενδύσεων ενεργειακού εφοδιασμού αφορούσε τα ορυκτά καύσιμα (εξόρυξη, μεταφορά ή μετασχηματισμός τους). Πέραν των οικονομικών και τεχνολογικών προτερημάτων των ορυκτών καυσίμων, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι ένα κρίσιμο ζήτημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Τα μη ορυκτά καύσιμα παρουσιάζονται ως λύση καθώς παρατηρείτε ότι οι επενδύσεις ενεργειακού εφοδιασμού που τα αφορούν αυξήθηκαν από τα 65 δις. δολάρια (USD) το 2000 στα 260 δις. το 2013, αυξάνοντας το μερίδιο τους από το 9% στο 16% των συνολικών επενδύσεων[2]. Εικόνα 1.1 Παγκόσμιες Ενεργειακές Επενδύσεις [1] 1

9 1.2 Εναλλακτικές Ανανεώσιμες Πήγες Ενέργειας Προτεραιότητα και κορυφαίος στόχος της ενεργειακής πολιτικής είναι η εξεύρεση, η εξασφάλιση και η διαχείριση ενεργειακών πόρων, με τρόπο ώστε να διασφαλίζεται η ασφαλής, ομαλή και συνεχόμενη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών, με τους καλύτερους δυνατούς όρους για τους πολίτες και το χαμηλότερο δυνατό περιβαλλοντικό κόστος. Με την παράλληλη όμως αύξηση του παγκοσμίου πληθυσμού και της παραγωγής αγαθών τίθεται θέμα επάρκειας στου ορυκτούς πόρους που καταναλώνονται. Έτσι θα πρέπει να πρέπει να βρεθεί μια ενεργειακή λύση που να εξυπηρετεί τις ανάγκες των ανθρώπων διατηρώντας ταυτόχρονα το φυσικό μας περιβάλλον. Όπως γίνεται αντιληπτό πρέπει να γίνει αναζήτηση και αξιοποίηση των εναλλακτικών πηγών ενέργειας που υπάρχουν διαθέσιμες όπως η ηλιακή, αιολική, κυματική, γεωθερμική, υδροηλεκτρική, βιομάζα, πυρηνική, εκ των οποίων μόνο η πυρηνική δεν είναι ανανεώσιμη. Η επίδραση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(απε) στο περιβάλλον είναι γενικά λιγότερο επιβλαβής από τις άλλες μορφές, έτσι όπως αναφέρει το Υπουργείο Περιβάλλοντος και Ενέργειας από το 2009 ακολουθείται το Εθνικό Σχέδιο Δράσης Στην εικόνα 1.2 παρουσιάζονται οι εθνικοί στόχοι που έχουν τεθεί για την Ελλάδα. Η Έκθεση του Εθνικού Σχεδίου Δράσης για την επίτευξη της συμβολής των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στην τελική κατανάλωση ενέργειας σε ποσοστό 20% έως το 2020, απορρέει από την Οδηγία 2009/28/ΕΚ, και περιλαμβάνει εκτιμήσεις για την εξέλιξη του ενεργειακού τομέα και τη διείσδυση των τεχνολογιών των ΑΠΕ έως το 2020 [3]. Εικόνα 1.2 Διείσδυση ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ελλάδας [3] 2

10 Οι εκτιμήσεις αυτές εξειδικεύονται στη συμμετοχή των ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και ψύξης κυρίως για τον οικιακό τομέα, αλλά και στη χρήση βιοκαυσίμων στις μεταφορές. Αναφέρονται επίσης μέτρα μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας και αύξησης της αξιοποίησης των ΑΠΕ, καθώς και στοιχεία για τις βασικές διοικητικές δομές που θα επιταχύνουν τη διείσδυση αυτή. Όπως στην Ελλάδα έτσι και σε πάρα πολλές χώρες παγκοσμίως υιοθετούνται πολιτικές υπέρ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μέχρι και το τέλος του 2015, τέτοιου είδους πολιτικές συναντώνται σε 146 χώρες παγκοσμίως, οι οποίες έχουν στόχο εκτός από την βελτίωση του περιβάλλοντος, να προσελκύσουν επενδύσεις και να προωθήσουν την καινοτομία. Οι βασικοί στόχοι των μεταρρυθμίσεων αυτών αποτελούν ο τομέας της ενέργειας, της θέρμανσης ψύξης και των μεταφορών. Συγκεκριμένα μεταρρυθμιστικές πολιτικές στον τομέα της ενέργειας καλύπτουν πάνω από το 87% του παγκοσμίου πληθυσμού ενώ αντίστοιχες πολιτικές στον τομέα της θέρμανσης ψύξης και των μεταφορών καλύπτουν το 50% και 73% αντίστοιχα. Στον τομέα της παραγωγής ενέργειας οι υψηλότεροι στόχοι που έχουν τεθεί προέρχονται κυρίως από χώρες της Λατινικής Αμερικής, όπου το ποσοστό των ΑΠΕ προβλέπεται να φτάσει στο 100% στην Κόστα Ρίκα μέχρι το 2030, στο 95% στην Ουρουγουάη μέχρι το 2017, στο 80% στην Γουατεμάλα μέχρι το 2030 και στο 79% στην Βολιβία μέχρι το Στην εικόνα 1.3 διακρίνεται ο αριθμός των χώρων αλλά και το είδος της πολιτικής στην οποία υπόκεινται. Εικόνα 1.3 Αριθμός χωρών και είδος ενεργειακής πολιτικής στο οποίο υπόκεινται [4] 3

11 Αντίστοιχα στην Ευρώπη θεσπίστηκε η κοινοτική οδηγία (2010/31/ΕU) γνωστή και ως targets, στην οποία αναφέρεται ότι μέχρι το 2020 οι χώρες δεσμεύονται: To 20% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας να προέρχεται από ΑΠΕ Μείωση των αερίων θερμοκηπίου 20% κάτω από τα επίπεδα του 1990 Μείωση κατά 20% στη χρήση πρωτογενούς ενέργειας σε σύγκριση με τα προβλεπόμενα επίπεδα, η οποία θα επιτευχτεί μέσω της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης. Τουλάχιστον το 10% της καταναλισκόμενης ενέργειας για μεταφορές να προέρχεται από ΑΠΕ [3]. Πέραν όμως των στόχων που αναφέρθηκαν παραπάνω, η Ε.Ε ενέκρινε νέο στόχο υψηλότερης εξοικονόμησης, στοχεύοντας τουλάχιστον το 27% της τελικής ενεργειακής κατανάλωσης το 2030 να προέρχονται από ΑΠΕ. Σε απάντηση στις ανησυχίες της αειφορίας, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εισήγαγε κανονισμούς για τη χρήση πρώτης γενιάς βιοκαυσίμων για την εκπλήρωση των στόχων των μεταφορών έως το 2020 από ΑΠΕ. Στην εικόνα 1.4 παρατηρείται ότι η Ελλάδα βρίσκεται εντός στόχων μέχρι και το 2014 [4]. Εικόνα 1.4 Ποσοστό ΑΠΕ στην καταναλισκόμενη ενέργεια στην Ελλάδα και την Ε.Ε. [5] 4

12 1.3 Ενέργεια στον Κτιριακό Τομέα Στον κτιριακό τομέα, ο πρώτος στόχος είναι να πληρούνται οι απαιτούμενες συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας, αερισμού, επίπεδα φωτισμού, χρωμάτων, θορύβων ή άλλων ενοχλήσεων και ποιότητας αέρα στους εσωτερικούς χώρους, έτσι ώστε ο χρήστης των χώρων αυτών να βρίσκεται σε ένα περιβάλλον που προσφέρει τις κατάλληλες συνθήκες διαβίωσης ή εργασίας, λαμβάνοντας υπόψη και την ορθολογική χρήση ενέργειας. Τα κτίρια αποτελούν μεγάλο ενεργειακό καταναλωτή, ταυτόχρονα όμως υπάρχουν και πολλά περιθώρια βελτίωσης της ενεργειακής τους συμπεριφοράς. Στην Ευρώπη η ζήτηση για θέρμανση και ψύξη αποτελεί το 49% της συνολικής ενεργειακής ζήτησης. Η Ευρωπαϊκή Ένωση όμως με μια νέα οδηγία (2010/31/ΕU) στα πλαίσια του targets στοχεύει να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και στα κτίρια μέχρι το 2020, με αποτέλεσμα τα συστήματα παροχής ενέργειας των κτιρίων να πρέπει να υιοθετήσουν αυτό το πλαίσιο χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης [6]. Η Ελλάδα όπως και τα υπόλοιπα κράτη μελή πρέπει να μεριμνήσουν ώστε μέχρι τις 31 Δεκεμβρίου 2020 όλα τα νέα κτίρια να αποτελούν κτίρια με σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας και μετά τις 31 Δεκεμβρίου 2018 τα νέα κτίρια που στεγάζουν δημόσιες αρχές ή είναι ιδιοκτησίας τους να αποτελούν κτίρια με σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας. Κτίριο με σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας σημαίνει κτίριο με πολύ υψηλή ενεργειακή απόδοση. Για να επιτευχτεί η σχεδόν μηδενική ή πολύ χαμηλή ποσότητα ενέργειας, θα πρέπει να συνίσταται σε πολύ μεγάλο βαθμό σε ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές όπως δείχνουν και οι επιλογές στον πίνακα 1.1. Πίνακας 1.1 Ιεραρχία επιλογών ενεργειακής επάρκειας Κτιρίων [7] Αυτή η ιεραρχία σταθμίζεται με βάση τις ανανεώσιμες τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες εντός του κτιριακού αποτυπώματος (on-site supply options) αλλά και εξωτερικά των ορίων της κατοικίας (off-site supply options). Στέγες φωτοβολταϊκών και ηλιακής θέρμανσης νερού είναι τεχνολογίες ευρείας εφαρμογής για σπίτια μηδενικής κατανάλωσης, όπως και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εξωτερικά των ορίων του οικοπέδου (οff-site options) θα μπορούσαν αναμφίβολα να χρησιμοποιηθούν. 5

13 Η προσέγγιση αυτή μπορεί να επιτύχει ένα κτίριο με καθαρή κατανάλωση ενέργειας μηδέν, αλλά δεν είναι το ίδιο με εκείνο που παράγει την ενέργεια στον ίδιο χώρο και μπορεί να χαρακτηριστεί ως τέτοιο [7]. Στην Ελλάδα στον κτηριακό τομέα διακρίνεται το υψηλό δυναμικό σε εξοικονόμηση ενέργειας που υπάρχει. Αρχικά εξετάζονται τα χαρακτηριστικά του κτιριακού αποθέματος, με βασικότερο την παλαιότητα. Σύμφωνα με τη τελευταία καταγραφή από την Ελληνική Στατιστική Αρχή για τα Ελληνικά κτίρια, το 57% κατασκευάστηκε πριν από το 1980, δηλαδή πριν να μπει σε ισχύ ο κανονισμός θερμομόνωσης κτιρίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κατοικίες να μην έχουν μόνωση (45,6% των συνολικών) και να παρουσιάζουν χαμηλή ενεργειακή απόδοση (27% εντάσσεται στην κατηγορία Η), ενώ παράλληλα στην πλειοψηφία τους διαθέτουν παλιές Η/Μ εγκαταστάσεις. Σε ότι αφορά τη χρήση τους, το 77% των ελληνικών κτιρίων αντιστοιχεί σε κτίρια κατοικιών και το 23% σε κτίρια του τριτογενή τομέα. Παράλληλα, η κατανάλωση ενέργειας στην Ελλάδα έχει συνεχή άνοδο, με μέσο ετήσιο ρυθμό αύξησης της 3% για την εικοσαετία , ωστόσο η αντίστοιχη τιμή για τα ελληνικά κτίρια είναι αρκετά ανώτερη στο 4,5%. Μόνο τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια πτώση, η οποία οφείλεται στην οικονομική κατάσταση της χώρας αλλά και στην αυξανόμενη χρήση ΑΠΕ, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.5. Αντίθετα παγκοσμίως, παρά την οικονομική ύφεση που υπάρχει ο συγκεκριμένος δείκτης παρουσιάζει μια αυξητική τάση (1,4 % ετησίως) [9]. Εικόνα 1.5 Ποσοστιαία κατανάλωση ενέργειας στις ελληνικές κατοικίες [8] 6

14 1.4 Σκοπός Σκοπός της παρούσας διπλωματικής με τίτλο <<Ηλιακό Σύστημα για την Θέρμανση και την Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης σε Κτίριο Κατοικίας>>, είναι η μελέτη και στην συνέχεια διαστασιολόγηση ενός ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και ζεστού νερού χρήσης σε ένα κτίριο κατοικίας, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η απόδοση του συστήματος εξετάζεται σε σύγκριση με την απόδοση ενός κοινού συμβατικού συστήματος με λέβητα φυσικού αερίου. Στόχος είναι να εξεταστεί εάν η εγκατάσταση ενός ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας είναι εφαρμόσιμη, αποδοτική, οικονομικά και περιβαλλοντικά σκόπιμη. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με την χρήση του προσομοιωτικού εργαλείου Polysun. 1.5 Αντικείμενο Μετά το εισαγωγικό κεφάλαιο, στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια βιβλιογραφική αναφορά σχετικά με τα ηλιοθερμικά συνδυαστικά συστήματα. Αναφέρεται η παρούσα κατάσταση της αγοράς ηλιοθερμικών συστημάτων παγκοσμίως, στην Ευρώπη, και στην συνέχεια στην Ελλάδα, αλλά και η εξέλιξη της. Επίσης γίνεται αναφορά σε ήδη εγκατεστημένες εφαρμογές ηλιοθερμικών συστημάτων εντάσσοντας αναφορές για απλά και συνδυαστικά ηλιοθερμικά συστήματα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η λειτουργιά των ηλιοθερμικών συστημάτων και τα κύρια εξαρτήματα από τα οποία αποτελούνται. Γίνεται αναφορά στους διάφορους τύπους συλλεκτών και δοχείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στα συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται οι απαραίτητοι υπολογισμοί για τον σχεδιασμό και την διαστασιολόγηση του συστήματος. Υπολογίζονται οι συνολικές απώλειες κτιρίου, τα φόρτια θέρμανσης και ΖΝΧ και γίνεται η διαστασιολόγηση του συστήματος με χρήση της μεθόδου καμπυλών-f για τους ηλιακούς συλλέκτες. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του λογισμικού Polysun που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του συμβατικού και του ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας. Αναφέρονται οι επιλογές των εξαρτημάτων που αποτελούν το ηλιοθερμικό σύστημα και γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων απόδοσης του συμβατικού συστήματος θέρμανσης και του ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας, συγκρίνοντας τα μεταξύ τους. Στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται τα βασικά συμπεράσματα από απόδοσης των συστημάτων θέρμανσης αλλά και συνολικά της εργασίας. την παρουσίαση 7

15 1.6 Μεθοδολογία Στην παρούσα μελέτη γίνεται σχεδιασμός και διαστασιολόγηση ενός ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και ζεστού νερού χρήσης. Αρχικά γίνονται υπολογισμοί που αφορούν το κτηριακό κέλυφος όπου θα γίνει η εγκατάσταση. Ο υπολογισμός των θερμικών φορτίων γίνεται συμφώνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12831/2003. Επίσης είναι αναγκαίο να υπολογιστούν οι απώλειες του κελύφους, όπως και τα φόρτια ΖΝΧ και θέρμανσης, τα οποία υπολογίζονται συμφώνα με τις υποδείξεις του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδος και των Οδηγιών που έχει δημοσιεύσει. Η διαστασιολόγηση των ηλιακών συλλεκτών του συστήματος γίνεται με την μέθοδο καμπυλών f, η οποία αποτελεί την κύρια μέθοδο διαστασιολόγησης των ηλιακών συστημάτων. Τέλος η απόδοση του συστήματος εξετάζεται με το προσομοιωτικό εργαλείο Polysun της εταιρίας Velasolaris, και συγκρίνεται με την απόδοση ενός συμβατικού συστήματος στο ίδιο κτίριο. 8

16 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 Τα Ηλιοθερμικά Συστήματα Παγκοσμίως Τα στοιχεία που παρουσιάζονται αποτελούν μέρος ερευνών που διεξήχθησαν εκ μέρους του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας στα πλαίσια του προγράμματος IEA Solar Heating & Cooling Programme και περιλαμβάνουν εμπορικά στοιχεία από 61 χώρες παγκοσμίως, οι οποίες συνολικά αποτελούν το 95% της παγκόσμιας αγοράς ηλιοθερμικών συστημάτων και αντιπροσωπεύει 4,5 δις. ανθρώπους δηλαδή το 63% του παγκοσμίου πληθυσμού [10]. Μέχρι το τέλος του 2014 η εγκατεστημένη ισχύς των ηλιοθερμικών συστημάτων έφτασε τα 410,2 GW th που αντιστοιχούν σε 586 εκ. m 2 συλλεκτικής επιφάνειας παγκοσμίως. Η πλειονότητα της συνολικής εγκατεστημένης ισχύς βρίσκεται στην Κίνα (289,5 GW th ) και στην Ευρώπη (47,5 GW th ), οι οποίες μαζί αποτελούν το 82,1 % αυτής. Οι κύριες αγορές, που κατέχουν και την υπολειπόμενη εγκατεστημένη ισχύ είναι: ΗΠΑ και Καναδάς (18 GW th ), Ασία (χωρίς Κίνα) (10,7 GW th ), Λατινική Αμερική (10 GW th ), Αυστραλία και Ν.Ζηλανδία (6,2 GW th ). Την μεγαλύτερη ανάπτυξη στην αγορά των ηλιοθερμικών συστημάτων το διάστημα παρουσίασε η Δανία (34%), Πολώνια (14%) και Βραζιλία (8%) [11]. Στην εικόνα 2.1 παρουσιάζεται πως το πως διαμορφώνεται η παγκόσμια αγορά. Εικόνα 2.1 Παγκόσμια ποσοστιαία εγκατεστημένη ισχύς σε λειτουργία [11] Στην εικόνα 2.2 διακρίνεται πως διανέμονται τα είδη των συλλεκτών παγκοσμίως αλλά και στην Ευρώπη. Η συνολική εγκατάσταση συλλεκτών διαχωρίζεται σε: επίπεδους συλλέκτες με 90,9 GW th ισχύς και 129,8 εκ. m 2, συλλέκτες κενού με 291,8 GW th και 416,8 εκ. m 2, συλλέκτες νερού χωρίς κάλυμμα με 26 GW th ισχύς και 37,1 εκ. m 2 και συλλέκτες αέρος με ισχύς 1,6 GW th και συλλεκτική επιφάνεια 2,4 εκ. m 2. 9

17 Εικόνα 2.2 Παγκόσμια(πάνω) και Ευρωπαϊκή(κάτω) κατανομή συλλεκτών το 2014 [10] Εξετάζοντας τις εικόνες 2.2 και 2.3 παρατηρούμε ότι η λόγω της μεγάλης εγκατεστημένης επιφάνειας στην Κίνα, οι συλλέκτες κενού είναι πιο διαδεδομένοι, σε αντίθεση με την Ευρώπη όπου χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο επίπεδοι συλλέκτες. Οι ΗΠΑ βρίσκονται στην δεύτερη θέση κυρίως λόγω των εγκαταστάσεων συλλεκτών χωρίς κάλυμμα, οι οποίοι αποτελούν μεγάλο μέρος και της εγκατεστημένης επιφάνειας στην Αυστραλία και σε μικρότερο βαθμό στην Βραζιλία. Στην εικόνα 2.3 διακρίνεται ότι η Ελλάδα έχει εγκατεστημένη ισχύ 3 GW th, ενώ βρίσκεται στην πέμπτη θέση όσον αφορά την αναλογία εγκατεστημένης ισχύς ανά 1000 κατοίκους όπως απεικονίζεται στην εικόνα 2.4. Εικόνα 2.3 Χώρες με την μεγαλύτερη συνολικά εγκατεστημένη ισχύς συλλεκτών [10] 10

18 Εικόνα 2.4 Χώρες με την μεγαλύτερη εγκατεστημένη επιφάνειας ανά 1000 κατοίκους [10] 2.2 Νέα Εγκατεστημένη Ισχύς και Εξέλιξης της Αγοράς Για πρώτη φορά το 2014 παρατηρήθηκε μείωση στις εγκαταστάσεις νέων συλλεκτών κατά 16% (46,7 GWth) σε σύγκριση με το Τις προηγούμενες περιόδους 2011/2012 και 2012/2013 η αγορά παρουσίασε αύξηση 6,7% και 1,9% αντίστοιχα. Έτσι υποδεικνύει μια αλλαγή στην τάση, η οποία σύμφωνα με τα στοιχεία μέχρι και το 2015 φαίνεται να συνεχίστηκε αφού και το 2015 παρουσιάστηκε μείωση 14% (37.2 GWth) στις νέες εγκαταστάσεις. Από τις 10 μεγαλύτερες αγορές μέχρι και το 2014 την μεγαλύτερη θετική ανάπτυξη αγοράς παρουσιάζουν η Ελλάδα (19,1%), Μεξικό (18,2%), Ινδία (7 %), Βραζιλία (4,5%) και ΗΠΑ (0,9%). Μεγάλες μειώσεις είχαμε στις αγορές της Αυστραλίας (-21,1%), Ισραήλ (-13,4%), Γερμανίας (-9,8%), και Τουρκιάς (-0,8%). Στην εικόνα 2.5 παρατηρούμε ότι εκτός από τα οικιακά συστήματα κάλυψης φορτίων ΖΝΧ τα οποία ακόμη αποτελούν κύρια εφαρμογή ηλιοθερμικών συστημάτων, η νέα τάση της αγοράς είναι η μετάβαση σε συστήματα μεγάλης κλίμακας για τη θέρμανση νερού σε κτήρια πολλών οικογενειών, στον τομέα του τουρισμού και στον δημόσιο τομέα. 11

19 Εικόνα 2.5 Νέα εγκατεστημένη ισχύς ανά είδος συστήματος παγκοσμίως (2015) [11] 2.1 Συνεισφορά Ηλιοθερμικών Συστημάτων στην Παραγωγή Ενέργειας και στην Μείωση του CO 2 Η ετήσια παραγωγή ενέργειας όλων των συλλεκτών νερού εν λειτουργία σε 61 χώρες για το έτος 2014 έφτασε τις 335 TWh. Η παραγωγή αυτή αντιστοιχεί σε μια εξοικονόμηση ενέργειας ίση με 36,1 εκ. τόνους ισοδύναμου πετρελαίου (ΤΙΠ) και 116,4 εκ. τόνους διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) (εικόνα 2.6). Ο αριθμός των συστημάτων που εξετάστηκαν έφτασε τα 101 εκατομμύρια ενώ βάση υπολογισμού αποτέλεσε η συλλεκτική επιφάνεια, το είδος του συλλέκτη και της εφαρμογής και τα κλιματολογικά χαρακτηριστικά σε καθεμία από τις 61 χώρες. Εικόνα 2.6 Ετήσια παραγωγή ενέργειας συλλεκτών ανά χώρα και είδος συστήματος [10] 12

20 2.3 Εφαρμογές Ηλιοθερμικών Συστημάτων Σύμφωνα με έρευνες συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας για την κάλυψη φορτίων ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) και νερού θέρμανσης (combi) είναι ικανά να καλύψουν σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις σε ΖΝΧ και μέχρι ένα βαθμό να υποστηρίξουν την παράγωγη ζεστού νερού για θέρμανση, βελτιώνοντας συνέχεια το ποσοστό κάλυψης όσο εξελίσσεται η τεχνολογία αυτών των συστημάτων. Σε μελέτη που έγινε στις Σάπες, Ροδόπης σε κατοικίες που κτιστήκαν για εγκατάσταση προσφύγων, έγινε εφαρμογή συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας κάλυψης φορτίων ΖΝΧ και θέρμανσης. Εξεταστήκαν τρεις τύποι κατοικιών επιφάνειας 84,5 m 2 (τύπος 1), 98,6 m 2 (τύπος 2), 120,3 m 2 (τύπος 3) στις οποίες εγκαταστάθηκαν 9 m 2 επίπεδων συλλεκτών, 150 lt δοχείο ΖΝΧ και 1 m 3 συσσωρευτή θερμότητας στο καθένα. Το ετήσιο ποσοστό κάλυψης έφτασε το 29,2%, 28,9% και 27,6 % προσφέροντας περίοδο αποπληρωμής 12, 11 και 10 χρόνια αντίστοιχα για περίοδο λειτουργιάς 20 ετών. Η μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) με την χρήση του ηλιακού συστήματος έφτασε το 40% [12]. Σε μια άλλη ερεύνα στην Δανία αναφέρεται ότι το 33-50% των ηλιακών συστημάτων της χωράς είναι συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας. Εξετάζονται μάλιστα παραμετρικά οι δυο πιο κοινοί τύποι συστημάτων που χρησιμοποιούνται στην χώρα. Στο πρώτο σύστημα παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας μεταξύ του κυκλώματος συλλεκτών και του κυκλώματος της θέρμανσης. Με αυτή την διάταξη το σύστημα παράγει θερμότητα για θέρμανση χώρων μόνο όταν λειτουργούν οι ηλιακοί συλλέκτες, δηλαδή όταν έχει ηλιοφάνεια. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να αποθηκευτεί η ηλιακή θερμότητα που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση χώρων, αφού κατά την περίοδο ηλιοφάνειας υπάρχει περιορισμένη ή μηδενική απαίτηση για θέρμανση. Το δεύτερο σύστημα έχει μόνο μια αποθήκη θερμότητας για ΖΝΧ και νερό θέρμανσης. Οι απαιτήσεις νερού χρήσης είναι 2700 kwh/έτος και οι απαιτήσεις θέρμανσης kwh/έτος. Αρχικά η μελέτη του πρώτου συστήματος γίνεται με όγκο αποθήκευσης 300 lt, και συλλεκτική επιφάνεια 5 m 2, 12 m 2, 18 m 2 δίνοντας ετήσια παράγωγη ηλιακής ενέργειας 1500 kwh/έτος, 2000 kwh/έτος και 2100 kwh/έτος αντίστοιχα. Μια άλλη παραμετροποίηση του ίδιου συστήματος όσον αφορά την θερμοκρασία προσαγωγής στα καλοριφέρ δείχνει ότι η παράγωγη ηλιακής ενέργειας μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 70% από το αρχικό σύστημα παράγοντας 3400 kwh/έτος, εάν ο θερμοστάτης των καλοριφέρ λειτουργεί στους 21,7 C 1 C. Η μελέτη του δεύτερου συστήματος έγινε με παραμετροποίηση της συλλεκτικής επιφάνειας και του όγκου του θερμοδοχείου. Στην εικόνα 2.7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Το εύρος της ετήσιας ηλιακής κάλυψης κυμαίνεται από 10% έως και 24% και η παράγωγη ηλιακής ενέργειας του μεγαλυτέρου συστήματος μπορεί να φτάσει έως και 3755 kwh/έτος. Άλλες δυο παραμετροποιήσεις πραγματοποιούνται στο σύστημα, με την πρώτη να αφορά την θερμοκρασία προσαγωγής, η οποία όταν ρυθμιστεί σε πιο χαμηλά επίπεδα, η παράγωγη ηλιακής ενέργειας φτάνει τις 3839 kwh/έτος, ενώ με σύνδεση του συστήματος με σύστημα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών (π.χ. ενδοδαπέδιο σύστημα) η παράγωγη ενέργειας φτάνει τις 4005 kwh/έτος [13]. 13

21 Εικόνα 2.7 Απόδοση παραμετροποιημένου συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας [13] Επιπρόσθετα, την απόδοση του συστήματος επηρεάζουν και τα χαρακτηριστικά του κτιρίου, όπως η μόνωση του, τα οποία πρέπει λαμβάνονται υπόψη κατά την σχεδίαση. Σε μελέτη εγκατάστασης για κατοικία, σε ψυχρό κλίμα, στην Στοκχόλμη λαμβάνεται μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας ολόκληρου του κτιρίου 0,41 W/m 2 K (κτίριο υψηλής απόδοσης), και γίνεται εγκατάσταση ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας με σύστημα βιοκαυσίμων ως βοηθητικό σύστημα θέρμανσης. Η συλλεκτική επιφάνεια του συστήματος είναι 50 m 2, ο όγκος του θερμοδοχείου φτάνει τα 4 m 3, ενώ το σύστημα θέρμανσης είναι 35 kw ισχύος, με ηλεκτρική αντίσταση 5 kw, η οποία συνδέεται στο δοχείο. Οι απαιτήσεις θέρμανσης είναι kwh/έτος, ενώ οι απαιτήσεις για ΖΝΧ είναι ακόμη μεγαλύτερες φτάνοντας τα kwh/έτος και οι συνολικές μαζί με τους μηχανισμού είναι kwh/έτος. Η απόδοση του συστήματος θέρμανσης βιοκαυσίμων θεωρείται 85%. Η ηλιακή θερμότητα που παράγεται από το σύστημα combi φτάνει τις kwh/έτος προσφέροντας 35% ηλιακή κάλυψη. Συγκρίνοντας το σύστημα με ένα σύστημα αναφοράς που δεν έχει τους ηλιακούς συλλέκτες παρατηρείται ότι έχουμε πολύ χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση με 58,7 kwh/m 2 /ετος το combi και 81,2 kwh/m 2 /ετος το σύστημα αναφοράς, όπως και χαμηλότερες ισοδύναμες εκπομπές διοξειδίου 3,8 kwh/m 2 /ετος και 20,5 kwh/m 2 /ετος αντίστοιχα [14]. Παράλληλα, σύμφωνα με μελέτη εγκατάστασης συστήματος combi σε απλή κατοικία στο Chlef της Αλγερίας μπορούμε να δούμε πως επηρεάζει η θερμομόνωση, την παρεχομένη κάλυψη του συστήματος. Στόχος της έρευνας είναι η σύγκριση της απόδοσης του συστήματος στην παρούσα κατοικία αλλά και μετά από μόνωση των τοίχων και αλλαγή παράθυρων από μόνο σε διπλό γυαλί. Η επιφάνεια του θερμαινόμενου χώρου είναι 80 m 2, ενώ εγκαθίσταται συλλέκτες επιφάνειας 8 m 2, 350 lt θερμοδοχείο και σύνδεση σε σύστημα ενδοδαπέδιας θέρμανσης. Με την θερμομόνωση επιτυγχάνεται μεγάλη μείωση των απαιτήσεων θέρμανσης από τις 14512,06 kwh/έτος στις 3077,31 kwh/έτος αλλά και της κατανάλωσης του βοηθητικού συστήματος από τις 14502,15 kwh/έτος στις 3378,11 kwh/έτος. Έτσι η ετήσια προσφερόμενη ηλιακή κάλυψη του συστήματος υπολογίζεται να είναι 21,65% για το σύστημα αναφοράς, ενώ αρκετά υψηλότερη αναμένεται να είναι για το σύστημα του βελτιωμένου κτηριακού κελύφους όπου φτάνει το 52% [15]. 14

22 Παρατηρείται ότι, η απόδοση ενός ηλιοθερμικού συστήματος διαφέρει μελετώντας παραμετρικά κάποια χαρακτηριστικά του. Αυτό διακρίνεται και σε έρευνα που έγινε σε μεμονωμένη κατοικία επιφάνειας 112 m 2 στην Στοκχόλμη, όπου το σύστημα αναφοράς είναι ένα συνδυαστικό combi, του οποίου η απόδοση μετράται από το ερευνητικό κέντρο Solar Energy Research Center SERC. Η συλλεκτική επιφάνεια του συστήματος είναι 10 m 2, ο όγκος του δοχείου είναι 750 lt, το βοηθητικό σύστημα θέρμανσης αποτελεί μια ηλεκτρική αντίσταση απόδοσης 100% και το φορτίο ΖΝΧ είναι 11,3 GJ/έτος. Αυτά χρησιμοποιούνται ως δεδομένα καθώς εξετάζεται η απόδοση του παραμετροποιημένου συστήματος. Αρχικά εξετάζεται κατά πόσο επηρεάζεται η απόδοση του από τη θέση και το κλίμα της κάθε περιοχής (αλλαγή 1). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πινάκα 2.1, όπου τονίζεται το σύστημα αναφοράς. Πίνακας 2.1 Μεταβολή ποσοστού κάλυψης λόγο κλίματος [16] Στην συνέχεια εξετάζονται αλλαγές στην διάταξη των εξαρτημάτων του συστήματος. Γίνεται μετακίνηση του εναλλάκτη θερμότητας του ΖΝΧ κατώτερα και της σύνδεσης των καλοριφέρ υψηλότερα (αλλαγή 2a) και επιλογή μεγαλύτερου εναλλάκτη (αλλαγή 2β). Επίσης εξετάζεται η αλλαγή του εξωτερικού εναλλάκτη θέρμανσης ΖΝΧ (αλλαγή 3), η χρήση 4-οδης βάνας για το σύστημα θέρμανσης (αλλαγή 4) και η διαστρωμάτωση του δοχείου (αλλαγή 5). Το ποσοστό κάλυψης και η μείωση καταναλισκόμενης ενέργειας του συστήματος αναφοράς φαίνονται στον πινάκα 2.2. Υπολογίζεται ότι σύμφωνα με τις ενεργειακές τιμές της Σουηδίας ο χρόνος αποπληρωμής των επεμβάσεων στο σύστημα κυμαίνεται από 5 έως 8 χρόνια [16]. Πίνακας 2.2 Ποσοστό κάλυψης συναρτήσει των παρεμβάσεων [16] 15

23 Αντίστοιχη μελέτη πραγματοποιήθηκε και για τα συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας της Δανίας. Αρχικά αναφέρονται τα χαρακτηριστικά κάποιων εν λειτουργία συστημάτων των οποίων η απόδοση καταγράφεται (πίνακας 2.3). Η μέση παραγόμενη ενέργεια είναι 165 kwh/m 2 και το μέσο ετήσιο ποσοστό κάλυψης 17%. Έπειτα εξετάζονται παραμετρικά δυο είδη συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας για μεμονωμένη κατοικία. Το πρώτο σύστημα έχει σπειροειδής εσωτερικούς εναλλάκτες στο ηλιακό κύκλωμα, στο κύκλωμα θέρμανσης και στο βοηθητικό σύστημα θέρμανσης. Το θερμοδοχείο του έχει όγκο 300 lt και στο υψηλότερο σημείο του θερμαίνεται το ΖΝΧ στους 50 ο C από το βοηθητικό σύστημα θέρμανσης. Το δεύτερο σύστημα είναι τύπου δοχείο σε δοχείο με όγκο θερμοδοχείου 460 lt και 136 lt δοχείο ΖΝΧ του οποίου το νερό ζεσταίνεται στους 55 ο C, εσωτερικό εναλλάκτη στο ηλιακό κύκλωμα. Οι απαιτήσεις θέρμανσης που πρέπει να καλυφτούν είναι kwh για την περίοδο θέρμανσης και 1200 kwh κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Έτσι εξετάζεται πρώτα η απόδοση βάση της συλλεκτικής επιφάνειας (3-18m 2 ) και των απαιτήσεων σε ΖΝΧ (50-200lt/ημέρα) για τα δυο συστήματα σε συνάρτηση με το αν λαμβάνουμε ή όχι υπόψη τα φορτία θέρμανσης του καλοκαιριού. Για το 1 ο σύστημα επιτυγχάνει παραγωγή μέσης καθαρής ηλιακής ενέργειας 208 kwh/ m 2 και 11% ποσοστό κάλυψης, ενώ το 2 ο επιτυγχάνει 124 kwh/m 2 ηλιακής ενέργειας χρήσης και 7% μέσο ετήσιο ποσοστό κάλυψης. Εάν λάβουμε υπόψη και τα καλοκαιρινά φορτία παρατηρείται αύξηση της απόδοσης του συστήματος, αφού χωρίς τα καλοκαιρινά φορτία η απόδοση εξαρτάται σημαντικά μόνο από τις απαιτήσεις σε ΖΝΧ. Έτσι το ποσοστό κάλυψης του 1 ου συστήματος φτάνει το 15% και του 2 ου το 10%. Στην συνέχεια επιλέγεται συλλεκτική επιφάνεια 6 m 2 για το 1 ο σύστημα, 9 m 2 για το 2 ο και ημερήσιες απαιτήσεις ΖΝΧ 160 lt. Με αυτά δεδομένα γίνεται και πάλι εξέταση της απόδοσης μεταβάλλοντας κάθε φορά μία παράμετρο όπως: τον όγκο του δοχείου, την θερμοκρασία προσαγωγής του συστήματος θέρμανσης, τον συντελεστή απωλειών και την διαστρωμάτωση του δοχείου. Στο 2 ο σύστημα εξετάζεται και η επίδραση του πάχους του δοχείου και ο όγκος του δοχείου ΖΝΧ. Για τον 1 ο τύπο συστήματος βέλτιστη λύση αποτελεί αυτή που περιλαμβάνει χαμηλή θερμοκρασία προσαγωγής, 50 lt/ m 2 ανοιγμένη χωρητικότητα θερμοδοχείου και στρωματοποιημένη είσοδο θερμότητας τόσο από το ηλιακό κύκλωμα όσο και από το κύκλωμα θέρμανσης. Έτσι η παραγωγή καθαρής ηλιακής ενέργειας αυξάνεται από τις 1725 kwh/έτος στις 1975 kwh/έτος και η συνολική βελτίωση που επιτυγχάνεται είναι 13%. Στο 2 ο σύστημα βέλτιστη λύση θεωρείται αυτή όπου επιλέγονται χαμηλές θερμοκρασίες προσαγωγής και συντελεστής απωλειών δοχείου, του οποίου η ανοιγμένη χωρητικότητα προτείνεται στα 50 lt/ m 2. Με την εφαρμογή αυτών των παρεμβάσεων παρατηρείται αύξηση παραγωγής καθαρής ηλιακής ενέργειας από τις 1508 kwh/έτος στις 2278 kwh/έτος και βελτίωση απόδοσης 51%, πολύ μεγαλύτερη του 1 ου συστήματος, καθώς το 2 ο σύστημα είχε εκ των προτέρων χαμηλότερη απόδοση [17]. 16

24 Πίνακας 2.3 Χαρακτηριστικά λειτουργιάς εγκατεστημένων ηλιοθερμικών συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας στην Δανία [17] Ερεύνα προς βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός συνδυαστικού συστήματος έγινε επίσης σε σύστημα που χρησιμοποιεί 100% ΑΠΕ και είναι εγκατεστημένο στην Σιγκουλντα της Λετονίας σε ένα τετραώροφο κτίριο κατοικιών. Το σύστημα συνδυάζει ηλιοθερμικό σύστημα συνδυασμένης λειτουργίας με κεντρικό σύστημα θέρμανσης Pellet. Με επιφάνεια συλλεκτών 38 m 2, όγκο θερμοδοχείου 2,35 m 3 με βοηθητικό όγκο 0,55 m 3 και ισχύ συστήματος Pellet 100kW μπορεί να προσφέρει 26% εξοικονόμηση ενέργειας ετησίως, παράγωντας ηλιακή ενέργεια kwh/έτος. Η βελτιστοποίηση που μελετάται, μέσω διαφόρων μεθόδων όπως συσχέτιση μεταξύ των τιμών της προσομοίωσης σε Η/Υ και των δειγματοληπτικών τιμών παραμέτρων που λαμβάνονται απευθείας από το σύστημα, μπορεί να επιφέρει μια περαιτέρω αύξηση 10,8% στα ενεργειακά κέρδη, φτάνοντας τις kwh/έτος παραγωγή χρησιμοποιούμενης ηλιακής ενέργειας [18]. 17

25 Περάν όμως των εφαρμογών σε κατοικίες, η απόδοση των ηλιακών συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας combi είναι υψηλή ακόμη και σε μεγαλύτερα κτήρια, όπως διαπιστώνεται από μελέτη που έγινε στο Όσλο της Νορβηγίας σε κτίριο πολλών διαμερισμάτων. Το 6-όροφο κτίριο έχει 35 διαμερίσματα, 70 άτομα ως κατοίκους και kwh/έτος συνολικές απαιτήσεις σε ενέργεια. Παράλληλα γίνεται και καταγραφή της απόδοσης του. Το σύστημα συνδυασμένης λειτουργίας που εγκαταστάθηκε διανέμει το θερμαινόμενο νερό σε ένα μη πεπιεσμένο θερμοδοχείο όγκου 6 m 3. Αυτό το δοχείο εμπεριέχει 6 δεξαμενές ΖΝΧ, 200 lt η καθεμία. Επίσης υπάρχουν και 2 δεξαμενές θέρμανσης ΖΝΧ ισχύος 15 kw που θερμαίνονται με ηλεκτρισμό. Ο θερμοστάτης που ελέγχει το σύστημα των αντλιών μεταφέρει την θερμότητα από το πρώτο σε ένα δεύτερο δοχείο όγκου 6,5 m 3 που παρέχει θερμότητα για θέρμανση χώρων. Ο συνολική θερμαινόμενη επιφάνεια είναι 2901 m 2 ενώ η αντίστοιχη συλλεκτική είναι 218 m 2 καθαρής επιφάνειας. Το σύστημα λειτούργησε 101 ημέρες και οι καταγραφές που παρουσιάζονται δείχνουν ότι έχει προσαρμοστεί στις ανάγκες του κτιρίου προσφέροντας 46,6% μέση κάλυψη κατά την περίοδο λειτουργίας του. Τα απαιτούμενα φορτία και η μηνιαία κάλυψη τους φαίνονται στον πίνακα 2.4 [19]. Πίνακας 2.4 Μετρήσεις λειτουργιάς συνδυαστικού συστήματος [19] Παρατηρείται ότι η ηλιακή θέρμανση είναι ενεργειακά συμφέρουσα επίσης από μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε κτήρια τεσσάρων πόλεων στο Ιράν, όπου η μέση ημερήσια ακτινοβολία είναι από 4,5 kwh/m 2 έως 5,4 kwh/m 2 (πολύ κοντά με την αντίστοιχη τιμή της μέσης ακτινοβολίας στην Ελλάδα). Τα κτήρια έχουν επιφάνεια 1200 m 2 (στην Τεχεράνη), 1800 m 2 (Mashhad), 1200 m 2 (Rasht), 1200 m 2 (Bandar Abbas 1), 4000 m 2 (Bandar - Abbas 2) και τα συστήματα τους αποτελούνται από 100 m 2, 200 m 2, 200 m 2, 80 m 2 και 500 m 2 συλλεκτικής επιφάνειας. Η απόδοση των συστημάτων εμφανίζεται υψηλή, αφού φτάνει το 52%, 57,8%, 45,2%, 52,2% και 45% κάτι που σημαίνει ότι με 25 χρόνια εκτιμώμενο χρόνο ζωής, ο χρόνος απόσβεσης των συστημάτων είναι 14, 10, 14, 14 και 4 χρόνια [20]. Επιπλέον ακόμη καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται σε ηλιακά συστήματα κάλυψης φορτίων μόνο ΖΝΧ, όπως παρουσιάζεται και από μελέτη που πραγματοποιήθηκε για σύστημα κατοικίας δυο, τριών, τεσσάρων και πέντε ατόμων στην πόλη της Θεσσαλονίκης. Στα συστήματα επιλέγονται επίπεδοι συλλέκτες επιφάνειας 2 m 2, 4 m 2, 4 m 2, 6 m 2 και όγκος δοχείων 150 lt, 180 lt, 200 lt και 200 lt αντίστοιχα. Ο μέσος ορός ετήσιας κάλυψης που προσφέρουν τα συγκεκριμένα συστήματα είναι 56,6%, 67%, 58,5% και 64,5% [21]. 18

26 Αντίστοιχα αποτελέσματα διακρίνονται και από άλλο ηλιακό σύστημα κάλυψης φορτίων ΖΝΧ σε κατοικία τεσσάρων ατόμων, όπου η συλλεκτική επιφάνεια είναι 4 m 2 και το δοχείο αποθήκευσης 200 lt. Η εγκατάσταση βρίσκεται στην Θεσσαλονίκη και η κάλυψη των φορτίων φτάνει το 58,5%, με χρόνος απόσβεσης τα 5 χρόνια [22]. Τέλος, καλύτερα αποτελέσματα παρατηρούνται σε μελέτη για σύστημα κατοικίας στην Λευκωσία Κύπρου. Το σύστημα με 2,7 m 2 συλλέκτη και 150 lt δοχείο, πετυχαίνει ετήσια ηλιακή συνεισφορά ενέργειας 79%. Η εξοικονόμηση ενέργειας του ηλιακού συστήματος, σε σύγκριση με το συμβατικό σύστημα θέρμανσης, φτάνει το 70% και ο χρόνος απόσβεσης τα 3,2 χρόνια [23]. Εκτός όμως των συστημάτων κτηριακών εγκαταστάσεων, τα μεγαλύτερα ηλιοθερμικά συστήματα παραγωγής θερμότητας παγκοσμίως βρίσκονται στην Δανία, προμηθεύοντας τα αντίστοιχα δίκτυα παροχής θέρμανσης (τηλεθέρμανση). Δυο πολύ μεγάλα έργα ανατέθηκαν το 2014 και 2015 στις πόλεις Vojens και Gram. Στο Vojens, η νέα εγκατάσταση έχει 37 MW th ισχύ, m 2 συλλέκτες και ο όγκος της διάταξης εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας φτάνει τα m 3. Η νέα εγκατάσταση προστέθηκε στην ήδη υπάρχουσα των 13 MW th και πλέον υπάρχουν 50 MW th εγκατεστημένης ισχύς και m 2 επίπεδων συλλεκτών, δημιουργώντας το μεγαλύτερο ηλιοθερμικό σύστημα του κόσμου, ικανό να παρέχει 55-60% της θερμικής ενέργειας που απαιτούν 2000 κατοικίες. Η δεύτερη μεγαλύτερη εφαρμογή βρίσκεται στο Gram όπου το ηλιοθερμικό σύστημα έχει εγκατεστημένη ισχύ 31,4 MW th και m 2 συλλεκτών [24]. Παράλληλα τον Μάιο του 2014 εγκαινιάστηκε στην πόλη Dronninglund της Δανίας μια εγκατάσταση ισχύος 26 MW th και συλλεκτικής επιφάνειας m 2. Οι επίπεδοι συλλέκτες της εγκατάστασης είναι συνδεμένοι με διάταξη εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας συνολικού όγκου m 3, και ο σχεδιασμός προβλέπει να καλυφτεί το 50% της ετήσιας ζήτησης σε θέρμανση 1350 καταναλωτών [25]. Στην Ευρώπη ηλιοθερμικά συστήματα μεγάλης κλίμακας ξεκίνησαν να συνδέονται σε δίκτυα τηλεθέρμανσης από τις αρχές τις δεκαετίας του 1980 σε χώρες όπως η Δανία, Σουηδία, Αυστρία, Γερμάνια και Ισπανία. Μέχρι το τέλος του 2015, 235 μεγάλα ηλιοθερμικά συστήματα (>350 kw th ή 500 m 2 συλλεκτών) έχουν ήδη συνδεθεί σε δίκτυα παροχής θέρμανσης, ενώ 17 συστήματα έχουν συνδεθεί σε δίκτυα παροχής ψύξης. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύ όλων των συστημάτων παροχής θερμότητας φτάνει τις 745 MW th ( m 2 συλλεκτών). Μόνο το 2015 εγκαταστάθηκαν 20 νέας συστήματα μεγάλης κλίμακας, εκ των οποίων τα 17 στην Δανία και από ένα στην Σουηδία, Αυστρία και Ιταλία. Στην Ελλάδα oι μεγαλύτερες εγκαταστάσεις ηλιοθερμικών συστημάτων υλοποιήθηκαν από ξενοδοχεία. Η πρώτη βρίσκεται στην Κνωσό στο Aldemar Hotel με 1,95 MW th ισχύ και 2785 m 2 επίπεδων συλλεκτών και η δεύτερη στην περιοχή του Ηρακλείου στο Candia Maris Hotel με 1,77 MW th εγκατεστημένη ισχύς και 2538 m 2 επίπεδων συλλεκτών. Οι δυο εφαρμογές λειτουργούν από το 2000 και σκοπό έχουν την παροχή ΖΝΧ στα εκάστοτε ξενοδοχεία. Στην χώρα μας όμως υπάρχουν και εφαρμογές ηλιοθερμικών συστημάτων παραγωγής και διανομής θερμότητας, με την Ελλάδα μάλιστα να βρίσκεται στις πρώτες θέσεις στην Ευρώπη όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 2.8 [25]. 19

27 Εικόνα 2.8 Συνολικός αριθμός και εγκατεστημένη ισχύς Ηλιοθερμικών συστημάτων διανομής θερμότητας στην Ευρώπη [10] 20

28 3 ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1 Ηλιακή Ενέργεια Ο Ήλιος αποτελεί κύρια πηγή ενέργειας προς την γη. Ως ηλιακή ενέργεια θεωρούμε το σύνολο των διάφορων μορφών ενέργειας που προέρχονται από το ήλιο, όπως το φως (φωτεινή ενέργεια), τη θερμότητα (θερμική ενέργεια) και άλλες μορφές ακτινοβολίας (ενέργεια ακτινοβολίας) οι οποίες απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Είναι μια καθαρή και ανεξάντλητη μορφή ενέργειας, η οποία ειδικά στην Ελλάδα δύναται να αξιοποιηθεί σε σύγκριση με τις υπόλοιπες ευρωπαϊκές χώρες, λόγω της υψηλής ακτινοβολίας και της μεγάλης ηλιοφάνειας (εικόνα 3.1). Στο βόρειο τμήμα της χώρας το μέσο ετήσιο άθροισμα ακτινοβολίας φτάνει τις kwh/m 2 /ετος [26], στην Πελοπόννησο, στη Κρήτη και στα νησιά φτάνει τις 1900 kwh/m 2 /ετος, ενώ η μέση ημερήσια ενέργεια που αποδίδεται από τον ήλιο στην Ελλάδα υπολογίζεται σε 4,6 kwh/m 2 [27]. Εικόνα 3.1 Μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία στην Ευρώπη 21

29 3.2 Εκμετάλλευση Ηλιακής Ενέργειας Οι τρόποι εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας ποικίλουν αναλόγως τον σκοπό χρήσης και την τοποθεσία. Κύριες χρήσεις είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, παραγωγή θερμότητας για θέρμανση ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) και για θέρμανση χώρων, παραγωγή μηχανικού έργου και παραγωγή χημικών καυσίμων (βιοκαύσιμα). Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές ηλιακής ενέργειας και διαχωρίζονται βάση του απαιτούμενου θερμοκρασιακού πεδίου τους. Με τον ίδιο τρόπο διαχωρίζονται και τα θερμικά ηλιακά συστήματα που παρουσιάζονται παρακάτω με τις εφαρμογές τους: Χαμηλής Θερμοκρασίας κυρίως για οικιακές εφαρμογές με θερμοκρασίες μέχρι 80 C. Αποτελούνται κυρίως από επίπεδους συλλέκτες, συλλέκτες κενού και συλλέκτες χωρίς κάλυμμα και χρησιμοποιούνται για κάλυψη φορτίων ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ), για θέρμανση νερού πισινών, θέρμανση χώρων και ξήρανση αγροτικών προϊόντων. Μέσης Θερμοκρασίας για οικιακές - βιομηχανικές εφαρμογές με θερμοκρασίες από 80 C έως 250 C. Απαρτίζονται από συλλέκτες κενού ή συγκεντρωτικούς συλλέκτες χαμηλού βαθμού συγκέντρωσης και χρησιμοποιούνται για παραγωγή ζεστού νερού στη βιομηχανία και παραγωγή ατμού για διεργασίες. Υψηλής Θερμοκρασίας κυρίως για βιομηχανικές εφαρμογές με θερμοκρασίες άνω των 250 C. Αποτελούνται μόνο από συγκεντρωτικούς συλλέκτες με υψηλό βαθμό συγκέντρωσης και διάταξη παρακολούθησης του ηλίου και χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2 Ηλιακά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας μπορεί έως ένα ποσοστό να καλύψει τις ετήσιες ανάγκες ενός κτιρίου σε θέρμανση, ψύξη, ζεστό νερό χρήσης (ΖΝΧ) και ηλεκτρισμό. Ειδικά στις απαιτήσεις σε ΖΝΧ η κάλυψη μπορεί να φτάσει έως και 100% τους καλοκαιρινούς μήνες, αναλόγως το είδος κατοικίας και συστήματος που θα επιλεγεί. 22

30 Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας και διαχωρίζονται επιπλέον σε: Παθητικά Ηλιακά Συστήματα, που μπορούν να συλλέξουν την ηλιακή ενέργεια με κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα δομικά στοιχεία στις οικοδομικές κατασκευές, ώστε να υποβοηθούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων είτε για τη θέρμανση των κτηρίων το χειμώνα είτε για τον κλιματισμό τους το καλοκαίρι. Κατά κύριο λόγο πρέπει να έχουν προσανατολισμό νότιο, ώστε να υπάρχει ηλιακή πρόσπτωση στα ανοίγματα κατά τη μεγαλύτερη διάρκεια της ημέρας το χειμώνα [28]. Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα, όπου εκτός από την συλλογή της ενέργειας έχουμε την δυνατότητα μετατροπής της σε θερμότητα, μεταφοράς και αποθήκευσης της, με την χρήση κατάλληλης διάταξης. Η τεχνολογία που εφαρμόζεται έχει πολλές δυνατότητες εφαρμογής σε θερμικές χρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού αποτελείται από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, ένα δοχείο αποθήκευσης θερμότητας και σωληνώσεις. Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το συλλέκτη και η συλλεγόμενη θερμότητα μεταφέρεται στο δοχείο αποθήκευσης (Εικόνα 3.3). Πέρα από την οικιακή χρήση, η οποία είναι και η πιο διαδεδομένη σήμερα, ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε απαιτείται θερμότητα. Έτσι, η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την ψύξη, τον κλιματισμό χώρων και άλλες εφαρμογές, εμφανίζεται ως μία πολλά υποσχόμενη προοπτική, λόγω της αυξημένης ηλιακής ακτινοβολίας ακριβώς την εποχή που απαιτούνται τα ψυκτικά φορτία. Μια άλλη εφαρμογή που έχει εξαπλωθεί στην Ευρωπαϊκή αγορά είναι ο συνδυασμός κάλυψης φορτίων ζεστού νερού χρήσης και θέρμανσης χώρων με ενεργητικά ηλιακά συστήματα (combi). Η χρήση των συστημάτων αυτών στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες για τη θέρμανση χώρων, θεωρείται τεχνικά αλλά και οικονομικά αποδοτική, αν συνδυαστεί με την κατάλληλη μελέτη/κατασκευή του κτιρίου (καλή μόνωση, εκμετάλλευση των παθητικών ηλιακών ωφελειών, κ.λπ.) και τη συνεργασία του χρήστη. Φωτοβολταϊκά συστήματα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, δηλαδή μέσω της πόλωσης ηλεκτρικών φορτίων συγκεκριμένων υλικών όταν εκτεθούν σε φωτεινή ακτινοβολία, στα φωτοβολταικά κύτταρα (PV cells). Σήμερα ο τυπικός βαθμός απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου βρίσκεται στο 13 20%, ο οποίος, συγκρινόμενος με την απόδοση άλλου συστήματος (αιολικού, υδροηλεκτρικού κλπ.), παραμένει ακόμη αρκετά χαμηλός. Αυτό σημαίνει ότι το φωτοβολταϊκό σύστημα καταλαμβάνει μεγάλη επιφάνεια προκειμένου να αποδώσει την επιθυμητή ηλεκτρική ισχύ. 23

31 Εικόνα 3.3 Παράδειγμα συνδυασμού παθητικού και ενεργητικού ηλιακού συστήματος 3.3 Ενεργητικά Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα λειτουργούν παρομοίως με τα παθητικά συστήματα αλλά μπορούν να παράξουν πολύ περισσότερη θερμότητα. Η συλλογή και μετέπειτα εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται εκμεταλλευόμενοι το φαινόμενο του θερμοκηπίου, δηλαδή η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά την επιφάνεια του συλλέκτη, παγιδεύεται και απορροφάται από την ειδικά διαμορφωμένη επιφάνεια που βρίσκεται στο εσωτερικό, αυξάνοντας έτσι την θερμοκρασία του ρευστού που μεταφέρει την αποκομίζουσα ενέργεια στο δοχείο αποθήκευσης. Μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες : τα συστήματα αέρα και τα συστήματα υγρού. Οι διαφορές στα δυο αυτά συστήματα θέρμανσης βρίσκονται στον τρόπο με τον οποίο η ηλιακή ενέργεια συσσωρεύεται στον ηλιακό συλλέκτη [29]. Τα συστήματα αέρος αποτελούν ένα πολύ μικρό τμήμα της παγκόσμιας αγοράς (0,4 % το 2014), καθώς οι συλλέκτες τους παρουσιάζουν χαμηλότερη απόδοση, δεν συνδυάζονται τόσο εύκολα με συστήματα κλιματισμού και η αποθήκευση της θερμότητας κοστίζει ακριβότερα. Τα συστήματα υγρού είναι η πιο διαδεδομένη τεχνολογία σήμερα κατέχοντας το υπόλοιπο κομμάτι της παγκόσμιας αγοράς. Η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή των συστημάτων αυτών είναι η κάλυψη φορτίων ζεστού νερού χρήσης, οι γνωστοί σε όλους ηλιακοί θερμοσίφωνες. Χρησιμοποιούνται σε χώρες που έχουν μεγάλη ηλιοφάνεια όπως για παράδειγμα στις χώρες της Μεσογείου. Κατά τη λειτουργία του γίνεται εκμετάλλευση δύο φυσικών φαινομένων: της αρχής του θερμοσίφωνου και του φαινομένου του θερμοκηπίου. Με την αρχή του θερμοσίφωνου επιτυγχάνεται η κυκλοφορία του νερού με φυσικό τρόπο χωρίς μηχανικά μέρη (αντλίες κλπ.) ενώ με την εκμετάλλευση του φαινομένου του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται στους συλλέκτες πραγματοποιείται η θέρμανση του νερού. Οι θερμοσίφωνες όπως και τα ηλιακά συστήματα διαχωρίζονται περαιτέρω ανάλογα με την ύπαρξη ή όχι αντλίας σε: 24

32 Φυσικής κυκλοφορίας (θερμοσιφωνικό σύστημα): Όπου δεν χρησιμοποιούνται αντλίες για την αποθήκευση νερού. Το σύστημα κατά τη λειτουργία του εκμεταλλεύεται το φυσικό φαινόμενο ροής των ρευστών λόγω διαφοράς θερμοκρασίας (διαφοράς πυκνότητας). Έτσι επιτυγχάνεται με φυσικό τρόπο χωρίς κυκλοφορητή (αντλία) συνεχής ροή του θερμαινόμενου μέσου από το θερμότερο σημείο (συλλέκτης) προς το ψυχρότερο (δεξαμενή νερού), μέχρι έως ότου τα δύο σημεία να αποκτήσουν παρόμοιες θερμοκρασίες. Για να είναι αυτό δυνατό πρέπει το ψυχρότερο σημείο να βρίσκεται ψηλότερα από το θερμότερο σημείο και για το λόγο αυτό σε αυτού του είδους τα συστήματα η δεξαμενή αποθήκευσης είναι πάντα ψηλότερα από τους ηλιακούς συλλέκτες. Επίσης αναλόγως το σύστημα κυκλοφορίας του συστήματος διακρίνονται δυο είδη συστημάτων: o Ανοικτού βρόγχου: απευθείας θέρμανση του νερού χρήσης (το θερμαινόμενο μέσο είναι το ίδιο το νερό που θα χρησιμοποιήσουμε). Είναι απλούστερα και φθηνότερα συστήματα, έχουν όμως προβλήματα σε χαμηλές θερμοκρασίες γιατί δε δύναται να προστεθούν αντιψυκτικά μίγματα και o Κλειστού βρόγχου: έμμεση θέρμανση του νερού χρήσης (το θερμαινόμενο μέσο κυκλοφορεί σε ιδιαίτερο κύκλωμα το οποίο θερμαίνει το ρευστό που χρησιμοποιείται χωρίς να γίνεται ανάμιξή τους) μέσω εναλλάκτη θερμότητας (εικόνα 3.4). Στους ηλιακούς θερμοσίφωνες κλειστού κυκλώματος μπορεί το θερμαινόμενο μέσο να είναι και άλλο ρευστό (π.χ. λάδι). Αν είναι μόνο νερό έχει αντιψυκτικά και αντιδιαβρωτικά πρόσθετα για την προστασία της συσκευής. Εικόνα 3.4 Θεροσιφωνικό σύστημα ανοικτού και κλειστού βρόγχου Εξαναγκασμένης κυκλοφορίας (κεντρικά συστήματα): Χρησιμοποιούν αντλίες για την κίνηση του θερμού ρευστού από τον συλλέκτη προς τη δεξαμενή αποθήκευσης, όπως επίσης βαλβίδες αλλά και συστήματα έλεγχου. Κατά βάση έχει τη λειτουργία ενός ηλιακού θερμοσίφωνα, μόνο που δεν κυκλοφορεί το νερό των συλλεκτών προς το θερμοδοχείο με φυσικό τρόπο (ανοδική πορεία το ζεστό, καθοδική το κρύο), αλλά το αντίθετο. Λόγω του ότι το θερμοδοχείο βρίσκεται πιο χαμηλά χρειάζεται ένας κυκλοφορητής που θα στείλει το ζεστό νερό των συλλεκτών στο θερμοδοχείο (εικόνα 3.5). 25

33 Ο ηλεκτρονικός πίνακας γενικά και συγκεκριμένα ο θερμοστάτης ελέγχει αυτόματα το πότε θα δοθεί η εντολή να κυκλοφορήσει το ζεστό νερό των συλλεκτών προς το θερμοδοχείο. Η διαστρωμάτωση του δοχείου (η θερμοκρασία του ρευστού στα στρώματα διαφορετικού ύψους του δοχείου) θεωρείται σημαντικός παράγοντας της απόδοσης αυτών των συστημάτων. Στη συνέχεια και σε συνδυασμό με την υπάρχουσα βοηθητική μονάδα θέρμανσης (λέβητας, αντλία θερμότητας, ενεργειακό τζάκι) θα λάβει το προϋπάρχον νερό του θερμοδοχείου και θα το διοχετεύσει στα θερμαντικά σώματα. Αν δεν επαρκεί η θερμοκρασία του νερού θα το υποβοηθήσει για να το ανεβάσει στην ανάλογη επιθυμητή θερμοκρασία. Επίσης η βοηθητική μονάδα θέρμανσης είναι αναγκαία και σε περιπτώσεις που δεν έχουμε ηλιοφάνεια όπου καλείται να καλύψει τις ανάγκες της εκάστοτε ημέρας, γι αυτό και πρέπει η διαστασιολόγηση της να γίνει με γνώμονα την πλήρη κάλυψη των απαραίτητων φορτίων του χώρου εγκατάστασης. Εικόνα 3.5 Ηλιοθερμικό σύστημα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας 3.4 Τμήμα Συλλογής Τα ηλιακά συστήματα ανεξάρτητα από το είδος τους αποτελούνται κυρίως από δύο βασικά μέρη: το τμήμα συλλογής, όπου η προσπίπτουσα στο σύστημα ηλιακή ακτινοβολία αφού διαπεράσει την ηλιοδιαπερατή επιφάνεια, απορροφάται από επιφάνεια μεγάλου συντελεστή απορρόφησης στην ηλιακή ακτινοβολία. Ανάλογα με την θερμοχωρητικότητα της απορροφητικής επιφάνειας, η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται εντός της επιφάνειας είτε μεταφέρεται σε ξεχωριστό τμήμα μεγάλης θερμοχωρητικότητας που καλείται τμήμα αποθήκευσης. Τα δύο μέρη είναι συναρμολογημένα μαζί και συνδέονται με σωληνώσεις, αλλά σε μεγαλύτερα συστήματα μπορεί να είναι και χωριστά και να χρησιμοποιούνται αντλίες για την κυκλοφορία του θερμαινόμενου μέσου, ειδικά όταν το τμήμα αποθήκευσης δε βρίσκεται στον ίδιο χώρο με το τμήμα συλλογής. 26

34 Και τα δυο αυτά μέρη του συστήματος περιλαμβάνουν ένα κομμάτι κρίσιμο για την απόδοση του συστήματος. Το βασικό μέρος του τμήματος συλλογής θεωρείται ο συλλέκτης ενώ το κύριο μέρος του τμήματος αποθήκευσης είναι ο συσσωρευτής θερμότητας (θερμοδοχείο) [30]. Το υπόλοιπο σύστημα αποτελείται από δίκτυο σωληνώσεων, όργανα ελέγχου και ασφαλείας Ηλιακός Συλλέκτης Όπως προαναφέρθηκε ένα από τα σημαντικότερα μέρη ενός ηλιακού συστήματος είναι οι ηλιακοί συλλέκτες ή αλλιώς καθρέπτες, που είναι η επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ενέργειας. Οι ηλιακοί συλλέκτες με βάση τις θερμοκρασίες λειτουργίας τους χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Α) Μη συγκεντρωτικοί (Χαμηλές-Μέσες θερμοκρασίες): o Ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα o Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες o Συλλέκτες κενού Β) Συγκεντρωτικοί (Υψηλές θερμοκρασίες): o Ηλιακοί πύργοι o Ηλιακοί δίσκοι o Συλλέκτες Φρενέλ o Παραβολικά κοίλα ΜΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ Ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα. Έχουν εφαρμογή μόνο σε κολυμβητικές δεξαμενές όπου η επιθυμητή θερμοκρασία είναι σχετικά χαμηλή (έως 30 C) και έχουν γενικότερα χαμηλότερο κόστος από τους άλλους συλλέκτες. Κατά την λειτουργία τους το νερό της δεξαμενής κυκλοφορεί μέσα στον συλλέκτη, θερμαίνεται από τον ήλιο και διοχετεύεται απευθείας πάλι στην δεξαμενή (π.χ. πισίνα). Δεν απαιτείται επιπρόσθετος εξοπλισμός όπως μονάδα αποθήκευσης και εναλλάκτες θερμότητας. Στα ψυχρά κλίματα παρέχεται νερό σε ιδανική θερμοκρασία για κολύμβηση το καλοκαίρι, ενώ ενδείκνυται χρήση πλαστικού καλύμματος για μείωση απωλειών θερμότητας (εικόνα 3.6). Εικόνα 3.6 Τομή ηλιακού συλλέκτη χωρίς κάλυμμα και μόνωση. 27

35 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες. Οι συλλέκτες αποτελούνται από τέσσερα βασικά μέρη: o o o o Την πλάκα συλλογής της ακτινοβολίας (πλάκα απορρόφησης), διατίθεται σε διάφορους τύπους αλλά συνήθως έχει μαύρο χρώμα για μείωση των αντανακλάσεων. Τους σωλήνες ροής του ρευστού, οι οποίοι είναι σε επαφή ή αποτελούν τμήμα της απορροφητικής πλάκας για να επιτυγχάνεται βέλτιστη μετάδοση θερμότητας και συνήθως αποτελούνται από χαλκό. Την κάλυψη (κρύσταλλο) της πλάκας απορρόφησης, προστατευτικό κάλυμμα από γυαλί ή πλαστικό, το οποίο μειώνει τις απώλειες. Διακρίνεται από μεγάλη απορροφητικότητα (90-95%), ελάχιστη ανάκλαση (5-15%) στα μικρά μήκη κύματος και από μέγιστη ανάκλαση στα μεγαλύτερα μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Το θερμικά μονωμένο πλαίσιο πάνω στο οποίο στερεώνονται τα υπόλοιπα εξαρτήματα και πρέπει να είναι στεγανό, αδιαβρωτικό ώστε να μειώνει τις απώλειες από την πίσω πλευρά του συλλέκτη. Κατά την λειτουργία τους η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει στη συνήθως μαύρη απορροφητική πλάκα ανεβάζοντας τη θερμοκρασία της. Η πλάκα με τη σειρά της εκπέμπει μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (θερμική ακτινοβολία) για την οποία το τζάμι που καλύπτει την πλάκα είναι σχεδόν αδιαφανές (εικόνα 3.7). Το στρώμα απορρόφησης (πλάκα) έχει δυνατότητα να απορροφάει ηλιακή ακτινοβολία με μήκη κύματος μικρότερα των 3μm σε ποσοστό 98% και προκαλεί αύξηση θερμοκρασίας του στους 200 ο C περίπου. Ως συνέπεια αυτού, το στρώμα απορρόφησης εκπέμπει με ένα συντελεστή εκπομπής (ε) υπέρυθρη ακτινοβολία, η οποία έχει μήκη κύματος μεγαλύτερα των 3 μm σε ποσοστό 99%. Αυτό που επιδιώκεται είναι ο μεγάλος συντελεστής απορροφητικότητας (α) για τα μικρή μήκη κύματος και ο μικρός συντελεστής εκπομπής (ε) για τα μεγάλα μήκη κύματος. Η επιφάνεια που έχει τις παραπάνω ιδιότητες ονομάζεται επιλεκτική. Γενικά το στρώμα απορροφητή είναι κατασκευασμένο με επενδυμένο από βερνίκι μέταλλο ή από μία μαύρη ουσία υψηλού βαθμού απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας [29]. Με αυτό τον τρόπο η μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (ζέστη) παγιδεύεται ανάμεσα στην πλάκα και το τζάμι με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση όσον αφορά τη θέρμανση νερού το οποίο κυκλοφορεί σε σωλήνες που είναι σε επαφή με την πλάκα στο πίσω μέρος της ή ενσωματωμένοι σε αυτή. Η μορφή που θα έχουν οι σωλήνες ποικίλει καθώς μπορεί να είναι ευθύγραμμοι, ευθύγραμμοι δυο ροών και τύπου σερπαντίνας. Τα πλεονεκτήματα χρήσης τέτοιων συλλεκτών είναι ότι αποτελούν σχετικά απλή τεχνολογία με ευρύ φάσμα χρήσης, εύκολη συντήρηση και δύναται να τοποθετηθούν είτε σε οροφή είτε στο έδαφος. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (50-80 C). 28

36 Εικόνα 3.7 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης και μέρη που τον αποτελούν. Συλλέκτες κενού, οι οποίοι στους εξωτερικούς σωλήνες τους εσωκλείουν την απορροφητική επιφάνεια και του σωλήνες του θερμοαπαγωγού ρευστού, σε κενό αέρος. Έτσι επιτυγχάνεται καλύτερη μόνωση και άρα μείωση των απωλειών καθώς η μετάδοση θερμότητας γίνεται μόνο με ακτινοβολία και όχι με συναγωγή (εικόνα 3.8). Στο εσωτερικό τους αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες (177 C) και γι'αυτό είναι ιδανικοί για ψυχρά κλίματα αλλά δεν συνιστώνται σε κατοικίες, αφού το καλοκαίρι αναπτύσσονται ακόμη μεγαλύτερες θερμοκρασίες στο εσωτερικό τους κάτι που τους καθιστά επίφοβους. Κατά την λειτουργία τους, η συλλεγόμενη θερμότητα μεταφέρεται με τη βοήθεια φύλλων αλουμινίου (μέσω αγωγής) σε ένα χάλκινο σωλήνα που περιέχει ένα ανόργανο μη τοξικό πτητικό ρευστό (εξατμίζεται στους 25 o C). To ρευστό αυτό μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό, ανεβαίνει στην πάνω πλευρά του σωλήνα που είναι τοποθετημένος μέσα στον εναλλάκτη θερμότητας και ζεσταίνει το νερό χρήσης. Το ρευστό μεταφέροντας τη θερμότητα στο νερό συμπυκνώνεται και κατεβαίνει στην κάτω πλευρά του αυλού όπου επαναλαμβάνεται η διαδικασία. Κυρίως χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτούνται θερμοκρασίες νερού μεγαλύτερες των 80 o C (ηλιακός κλιματισμός, βιομηχανία). 29

37 Εικόνα 3.8 Συλλέκτης κενού και η λειτουργία του Επιπλέον πλεονεκτήματα των ηλιακών συλλεκτών τύπου κενού είναι οι μειωμένες θερμικές απώλειες χάρη στην άριστη θερμική μόνωση και η μικρότερη επιφάνεια εγκατάστασης που καταλαμβάνουν σε σχέση με τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες λόγω της υψηλής τους απόδοσης. Παρουσιάζουν όμως και μειονεκτήματα τα οποία είναι: Υψηλές θερμοκρασίες στεγανοποίησης με την πλήρωση (κυρίως στα υλικά που βρίσκονται κοντά στο συλλέκτη και το υγρό μεταφοράς της θερμότητας Κατά τη στεγανοποίηση εμφανίζονται μεγάλοι σχηματισμοί ατμών Οικονομικά πλεονεκτήματα μόνο σε περιπτώσεις όπου οι θερμοκρασίες λειτουργίας είναι υψηλές Σε επιφάνεια σκεπής δεν επιτρέπεται ο εντοιχισμός τους ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται για να συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και να την μετατρέπουν σε θερμότητα μέσης ή υψηλής θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούν έναν μεγάλο αριθμό ηλιοστατών και εστιάζουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα δέκτη, αναπτύσσοντας θερμοκρασία ρευστού που μπορεί να φτάσει τους 550 o C. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες αποτελούν νέα τεχνολογία με μεγάλες προοπτικές για την βιομηχανία, αλλά δεν αποτελούν αντικείμενο της παρούσας εργασίας και γίνεται μόνο η αναφορά τους Βαθμός Απόδοσης Ηλιακού Συλλέκτη Το αποκομίζων ενεργειακό όφελος από έναν ηλιακό συλλέκτη, σε μια δεδομένη χρονική στιγμή είναι η διαφορά του ποσού της ηλιακής ενέργειας που απορροφάται από τον απορροφητήρα και των απωλειών ενέργειας προς το περιβάλλον. Ο υπολογισμός της ωφέλιμης θερμικής ισχύος δίνεται από την σχέση: 30

38 Q = A c G τ F R (τα) n Ac F R U L (T εις Τ α ) Όπου: Q : ωφέλιμη συλλεγόμενη θερμική ισχύς (W) A c : επιφάνεια συλλέκτη (m 2 ) G τ : ένταση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m 2 ) F R : συντελεστής θερμικής απολαβής του συλλέκτη τ : διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος του συλλέκτη στην ηλιακή ακτινοβολία α : απορροφητικότητα του απορροφητήρα στην ηλιακή ακτινοβολία U L : συνολικός ισοδύναμος συντελεστής ενεργειακών απωλειών του συλλέκτη (W/m 2 / o C) T εις : θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του συλλέκτη ( o C) Τ α : θερμοκρασία περιβάλλοντος ( o C) Οι συντελεστές (τα) n με δείκτη n, αναφέρονται σε επίπεδο κάθετο στις ακτίνες του ηλίου. Οι τιμές των χαρακτηριστικών παραμέτρων ενός συλλέκτη (F R (τα) n και F R U L προκύπτουν από τις δοκιμές απόδοσης και πιστοποίησης του συγκεκριμένου συλλέκτη από αναγνωρισμένο εργαστήριο δοκίμων. Μερικές αντιπροσωπευτικές τιμές για κάποιους τύπους συλλεκτών δίνονται από τον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1 Χαρακτηριστικές τιμές περαμάτων απόδοσης διαφόρων ηλιακών συλλεκτών [30] Η Ένωση Βιομηχανιών Ηλιακής Ενέργειας (ΕΒΗΕ) έχει 23 βιομηχανίες παραγωγής ηλιακών συστημάτων που παράγουν τα προϊόντα τους σε δικό τους εργαστήριο. Τα προϊόντα των ελληνικών βιομηχανιών έχουν ελεγχτεί από τα αναγνωρισμένα εργαστήρια στην Ε.Ε. σύμφωνα με τα ισχύοντα διεθνή ή Ευρωπαϊκά πρότυπα ενώ οι ηλιακοί θερμοσίφωνες και τα μπόιλερ (θερμαντήρες) διαθέτουν την υποχρεωτική από το νόμο σήμανση CE και την αντίστοιχη έκθεση από αναγνωρισμένο εργαστήριο δοκίμων. Είναι αναγκαίο οι κατασκευαστές του εξοπλισμού να χρησιμοποιούν τα ευρωπαϊκά πρότυπα για τα προϊόντα που διαθέτουν στην αγορά, ενώ η προώθηση του Ευρωπαϊκού Σήματος Ποιότητας Θερμικών Ηλιακών Προϊόντων (Solar Keymark), κρίνεται επιτακτική [30]. Ως βαθμός απόδοσης του ηλιακού συλλέκτη, ορίζεται ο στιγμιαίος βαθμός απόδοσής του, για δεδομένη τιμή έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και εξωτερική θερμοκρασία. Η στιγμιαία απόδοση ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη υπολογίζεται από τη σχέση: 31

39 Αν ο συντελεστής U L υποθέσουμε ότι παραμένει σταθερός, τότε η απόδοση του συλλέκτη σε συνάρτηση με το πηλίκο (T εισ -T α )/GT είναι μια γραμμική σχέση, με κλίση -F R U L. H ευθεία τέμνει τον y- άξονα στο σημείο F R (τα) n. Χαρακτηριστικές καμπύλες απόδοσης διαφόρων τύπων συλλεκτών παρουσιάζονται στην εικόνα 3.9. Εκτός του στιγμιαίου βαθμού απόδοσης υπάρχει και ο μακροχρόνιος βαθμός απόδοσης ή αλλιώς συντελεστής κάλυψης "f" και αναφέρεται στο ποσό απαιτούμενης ενέργειας που μπορεί να καλύψει ο συλλέκτης, σε μια δεδομένη περιοχή, και για ορισμένη χρονική διάρκεια. Εικόνα 3.9 Τυπικές καμπύλες απόδοσης διαφορετικών τύπων ηλιακών συλλεκτών [30] Θερμικές Απώλειες του Συλλέκτη Στους ηλιακούς συλλέκτες η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από τον απορροφητή και κατανέμεται σε ωφέλιμη ενέργεια και θερμικές απώλειες. Οι θερμικές απώλειες ενός ηλιακού συλλέκτη αποτελούνται από το άθροισμα των επιμέρους απωλειών του πάνω μέρους μέσω του διάφανου καλύμματος και των απωλειών από τα πλαϊνά και πίσω διαμέσου της μόνωσης [29]. Θεωρώντας ότι όλες οι απώλειες βασίζονται σε μια κοινή θερμοκρασία του απορροφητή Τ pm οι ολικές απώλειες του συλλέκτη είναι: Q απωλειων = U L A c (T pm Τ α ) όπου U L ο συντελεστής ολικών απωλειών του συλλέκτη. Φυσικά ισχύει ότι: Q απωλειων = Q t + Q e + Q b Oι δείκτες t, e και b αντιστοιχούν στη συμμετοχή του πάνω, του πλαϊνού και πίσω μέρους αντίστοιχα (εικόνα 3.10). 32

40 Εικόνα 3.10 Απωλειες θερμοτητας και ηλιακα κερδη σε επιπεδο ηλιακο συλλεκτη Προσανατολισμός και Κλίση Ηλιακών Συλλεκτών Για να είναι εφικτή η μεγιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγικότητας των συλλεκτών, θα πρέπει να επιτυγχάνεται βέλτιστη εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Στην πλειονότητα των ηλιοθερμικών συστημάτων επιλέγεται σταθερός προσανατολισμός των ηλιακών συλλεκτών, ώστε να επιτυγχάνεται μέση ετήσια γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας όσο το δυνατό πιο κοντά στις 90 ο. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και ο προσανατολισμός ενός επίπεδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δύο γωνίες : την κλίση και την αζιμούθια γωνία. Η κλίση του συλλέκτη (β) είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα και μπορεί να πάρει τιμές από 0 ο μέχρι 180 ο. Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη (γ) είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Παίρνει τιμές από ο μέχρι +180 ο. Η γωνία -180 ο (που συμπίπτει με την +180 ο ) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία 90 ο προς την ανατολή, η γωνία 0 ο προς το νότο και η γωνία +90 ο προς τη δύση. H πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη λαμβάνεται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς τη κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης (θ) είναι 0 ο [31]. Συνοψίζοντας: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) θα πρέπει να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). 33

41 Κατά την διάρκεια της χειμερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι) απαιτείται μεγαλύτερη κλίση. Ο βέλτιστος προσανατολισμός (αζιμούθιο A) είναι νότιος (A=0), ενώ απόκλιση κατά από νότο έχει μικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια. Τέλος, σε περιοχές με υγρό κλίμα, όπου λόγω των σταγονιδίων του νερού στην ατμόσφαιρα, ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας διαχέεται στον ουρανό, η βέλτιστη κλίση του ηλιακού συλλέκτη για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους είναι περίπου 10-15% μικρότερη από τη γωνία του τοπικού γεωγραφικού πλάτους. Έτσι, ο συλλέκτης αντικρίζει περισσότερο τον ουρανό και δέχεται ευκολοτερα τη διάχυτη ακτινοβολία. Η ποσότητα της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό που καλύπτει την επιφάνεια που δέχεται την ακτινοβολία. Η ικανότητα της ανάκλασης εκφράζεται από ένα συντελεστή που κυμαίνεται από 0, για πλήρη απορρόφηση της ακτινοβολίας, μέχρι 1, για πλήρη ανάκλαση. 3.5 Τμήμα Αποθήκευσης Συσσωρευτές Θερμότητας Η θερμική ενέργεια που παράγεται σε μία ηλιοθερμική εγκατάσταση εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία, η οποία μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου. Επίσης μεταβάλλονται και οι θερμικές ανάγκες και οι οποίες σπάνια συμπίπτουν χρονικά με την παραγόμενη ενέργεια. Για το λόγο αυτό είναι σημαντικό η ενέργεια που παράγεται να συσσωρεύεται και έπειτα, κατά τη χρήση, να μπορεί να ρυθμίζεται η προσφορά (ήλιος) και η ζήτηση (ζεστό νερό κατ απαίτηση από το χρήστη). Η αποθήκευση είναι το στοιχείο της εγκατάστασης, που επιτρέπει την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας, με την ελάχιστη δυνατή απώλεια ενέργειας. Ο ειδικός χώρος στον οποίο αποθηκεύεται η απαιτούμενη ενέργεια είναι συνήθως οι συσσωρευτές ενέργειας (boiler) [29]. Σήμερα τα πιο συνηθισμένα είδη συσσωρευτών ενέργειας είναι τα θερμικά μονωμένα boiler, με (ή χωρίς) ενσωματωμένο εναλλάκτη θερμότητας (εικόνα 3.11). Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός συσσωρευτή είναι η μηχανική του αντοχή, η διάρκειά του και η ποιότητα της μόνωσης, που υπολογίζεται σε W/K. Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής των απωλειών (που εξαρτάται από τον τύπο και το πάχος της μόνωσης), τόσο καλύτερη θα είναι η συμπεριφορά του συσσωρευτή [30]. Οι τύποι των συσσωρευτών διακρίνονται ανάλογα: με την θέση τους (οριζόντια ή κάθετη θέση) ύπαρξη ή όχι ενσωματωμένου εναλλάκτη με το υλικό που χρησιμοποιείται Για ορισμένες εφαρμογές (π.χ. σε εγκαταστάσεις που συνδυάζουν την κάλυψη φορτίων ζεστού νερού χρήσης και θέρμανσης) υπάρχουν ειδικοί τύποι. 34

42 Εικόνα 3.11 Τύποι συσσωρευτών θερμότητας Οι θερμικές αποθήκες διακρίνονται στις εξής υποκατηγορίες : Αποθήκες ομοιόμορφης θερμοκρασίας Αποθήκες θερμικής διαστρωμάτωσης Αποθήκες μακροταμίευσης (seasonal storage) Θερμική αποθήκη αλλαγής φάσης και η Χημική ενεργειακή αποθήκη Στις αποθήκες ομοιόμορφης θερμοκρασίας το νερό έχει την ίδια θερμοκρασία σε όλο τον όγκο του και όταν αποδίδεται θερμότητα στο νερό τότε η θερμοκρασία του αυξάνει ομοιόμορφα σε όλη την αποθήκη. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα παραγωγής κλειστού κυκλώματος για ζεστό νερό ή θέρμανση χώρων ενώ μειονέκτημα τους είναι ότι ενώ η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών είναι υψηλή, η τελικά θερμοκρασία του νερού παραμένει χαμηλή. Στο σύνολο των ηλιοθερμικών εγκαταστάσεων χρησιμοποιούνται αποθήκες θερμικής διαστρωμάτωσης. Διαστρωμάτωση σημαίνει ότι έχουμε κάθετη διανομή της θερμοκρασίας στο δοχείο και αυτό βελτιστοποιεί τη λειτουργία της εγκατάστασης (εικόνα 3.12). Το βασικό πλεονέκτημα της διαστρωμάτωσης είναι ότι επιτρέπει τη λήψη του ζεστού νερού κατανάλωσης από το ανώτερο τμήμα του συσσωρευτή [31]. Καθώς το ζεστό νερό έχει μικρότερη πυκνότητα από το κρύο παραμένει στο πάνω μέρος του συσσωρευτή, ενώ το κρύο βρίσκεται στον πυθμένα του. Το νερό που επιστρέφει στο συλλέκτη είναι πιο κρύο, παράγοντας που αυξάνει την απόδοση του ίδιου του συλλέκτη. Στην πράξη, η θερμική διαστρωμάτωση εξασφαλίζεται όταν: η είσοδος του ζεστού νερού από το συλλέκτη βρίσκεται στο πάνω μέρος του συσσωρευτή και η έξοδος του κρύου νερού προς αυτόν είναι στο κάτω μέρος και η παροχή του νερού είναι μικρή, έτσι ώστε να μην αναμιγνύεται το εισερχόμενο ζεστό νερό με το εξερχόμενο κρύο. 35

43 Εικόνα 3.12 Θεωρητική Διαστρωμάτωση θερμοκρασίας σε θερμική δεξαμενή (αριστερά) και παράδειγμα κανονικής διαστρωμάτωσης δεξαμενής (δεξιά) Αν θεωρηθούν αμελητέες οι θερμικές απώλειες του δίκτυο σωληνώσεων και του συσσωρευτή, τότε η ωφέλιμη θερμική ενέργεια του ηλιακού συλλέκτη Q προσδίδεται στο νερό του συσσωρευτή και ανυψώνει τη θερμοκρασία του κατά Δt δ. Με το πέρασμα του χρόνου t, ο συσσωρευτής έχει πλέον ομοιόμορφη θερμοκρασία t δ, που υπολογίζεται από τη σχέση: t δ = t δο + [Κ] Όπου: t δο [Κ]: η αρχική θερμοκρασία νερού του συσσωρευτή Q [kj/μήνα]: ωφέλιμη θερμική ενέργεια επίπεδου συλλέκτη m δ [kg]: μάζα νερού συσσωρευτή C pδ [kj/kg K]: ειδική θερμότητα νερού συσσωρευτή, (Cpδ 4,19 kj/kg K) Οι συσσωρευτές ενέργειας που λειτουργούν με τη συγκεκριμένη μέθοδο έχουν κυλινδρικό σχήμα με ιδανική αναλογία ύψους διαμέτρου 2,5:1. Πλεονεκτήματα ταμιευτήρα διαστρωμάτωσης: o o o o o o o Μπορεί να δεχθεί πολλές διαφορετικές πηγές (λέβητας, αντλία θερμότητας, ενεργειακό τζάκι, κ.α.) και να εξυπηρετήσει διαφορετικές χρήσεις (σώματα, ενδοδαπέδια, ΖΝΧ, πισίνα) Εξασφαλίζει για τους συλλέκτες την χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, άρα και τον βέλτιστο βαθμό απόδοσης. Όταν φορτίζεται από πηγή διαφορετική από τον ήλιο δεν χρειάζεται να φορτιστεί πλήρως, άρα εξασφαλίζει μεγάλη απόδοση για το Η/Θ σύστημα. Επιτρέπει την θέση προτεραιοτήτων στις πηγές θερμότητας (κατηγορία Α διατάξεων αυτομάτου ελέγχου στον Κ.Εν.Α.Κ). Όχι κινητά μέρη εντός του ταμιευτήρα. Απλοποιεί την εγκατάσταση. 36

44 Όσον αφορά τα άλλα είδη θερμικών αποθηκών, οι αποθήκες μακροταμίευσης (seasonal storage) χρησιμοποιούνται όταν η προσφορά της ενέργειας δεν συμπίπτει με τη ζήτηση. Η προσφορά της ηλιακής ενέργειας το καλοκαίρι, ειδικά για βόρεια γεωγραφικά πλάτη, είναι σχεδόν το μέγιστο ποσοστό της διαθέσιμης κάθε χρόνο ενέργειας. Επίσης, για τα νότια γεωγραφικά πλάτη, το μεγαλύτερο μέρος της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας προσφέρεται τους μη χειμερινούς μήνες. Η ανάγκη αποθήκευσης και εκμετάλλευσης της διαθέσιμης ενέργειας από μία εποχή του έτους σε μία άλλη οδήγησε στη δημιουργία των διεποχικών θερμικών αποθηκών, οι οποίες κατά κανόνα αποθηκεύουν ηλιακή ενέργεια τους καλοκαιρινούς μήνες για να την αποδώσουν τους χειμερινούς. Τέλος, δύο ακόμα γνωστά είδη θερμικών αποθηκών, τα οποία βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, είναι η θερμική αποθήκη αλλαγής φάσης και η χημική ενεργειακή αποθήκη. Οι αποθήκες αυτές αποτελούνται από υλικά που μπορούν να απορροφήσουν και την κατάλληλη στιγμή να αποδώσουν την ηλιακή ενέργεια υπό μορφή λανθάνουσας θερμότητας (π.χ. ένυδρο άλας) ή χημικής ενέργειας σε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση (οξείδια του καλίου και του μολύβδου) Μόνωση Συσσωρευτών Η ποσότητα ενέργειας, που παραλαμβάνει από τους ηλιακούς συλλέκτες, μεταφέρεται με ελάχιστες απώλειες έως το συσσωρευτή ενέργειας για να αποθηκευτεί. Η μόνωση του συσσωρευτή παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της θερμοκρασίας του νερού που αποθηκεύεται στο συσσωρευτή ενέργειας, γιατί περιορίζονται οι θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον. Για το λόγο αυτό συνίσταται προσοχή στο υλικό και στις διαστάσεις του μονωτικού υλικού. Τα μονωτικά υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται έχουν συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ 0,035 W/m K. Η χρήση του πολυβινοχλωριδίου (PVC) πρέπει να αποφεύγεται. Η σημασία της θερμικής μόνωσης ενός συσσωρευτή φαίνεται από το γεγονός ότι, σε ένα συσσωρευτή τυπικής οικιακής εγκατάστασης, όχι σωστά μονωμένο, οι θερμικές απώλειες μπορεί να ξεπεράσουν τις 1000 kwh το χρόνο. Άλλο ένα σημαντικό θέμα, στο οποίο βοηθά η σωστή μόνωση του συσσωρευτή και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη είναι ύπαρξη των βακτηρίων της λεγιονέλλας στο νερό, τα οποία πολλαπλασιάζονται σε θερμοκρασίες ο C, αρχίζουν να ελαττώνονται σε θερμοκρασίες κοντά στους 50 ο C και σχεδόν πεθαίνουν ακαριαία πάνω από τους 60 ο C. Για να αντιμετωπιστεί το παραπάνω πρόβλημα, επιβάλλεται η συνεχή διατήρηση της θερμοκρασίας του νερού στους 60 ο C εφόσον ο συσσωρευτής ενέργειας έχει όγκο νερού που πρόκειται να εισαχτεί στον ανθρώπινο οργανισμό από το στόμα (πλύσιμο δοντιών, κολύμβηση σε πισίνα). Αποτελεί πρόβλημα, ισοδύναμο της πνευμονίας που σε κάποιες περιπτώσεις οδηγεί και σε θάνατο, δημιουργείται κυρίως όταν φτάνουν στους πνεύμονες μέσω της εισπνοής του αέρα, που περιέχει μικρά σταγονίδια νερού θερμοκρασίας ο C (π.χ. ντους) [32]. 37

45 3.5.3 Εναλλάκτες Θερμότητας Οι εναλλάκτες θερμότητας ορίζονται ως συσκευές, που έχουν τη δυνατότητα να μεταφέρουν τη θερμική ενέργεια μεταξύ δύο ρευστών διαφορετικής θερμοκρασίας [31]. Η διάκριση τους γίνεται βάση της διαδικασίας μεταφοράς της θερμότητας, σε: εναλλάκτες άμεσης επαφής και εναλλάκτες έμμεσης επαφής Στην πρώτη περίπτωση τα δύο ρευστά διαφορετικής φάσης έρχονται σε άμεση επαφή, ανταλλάσσουν θερμότητα και στη συνέχεια διαχωρίζονται και πάλι. Στη δεύτερη περίπτωση τα ρευστά παραμένουν χωρισμένα και η ανταλλαγή γίνεται μέσω μίας διαχωριστικής επιφανείας. Στους εναλλάκτες έμμεσης επαφής, η μετάδοση θερμότητας από το ζεστό στο κρύο ρευστό γίνεται με τρεις τρόπους: 1. με μετάβαση (συναγωγή) από το ζεστό ρευστό στο τοίχωμα 2. με αγωγιμότητα μέσα στο τοίχωμα 3. με μετάβαση (συναγωγή) από το τοίχωμα στο ψυχρό ρευστό. Στα ηλιοθερμικά συστήματα όπου το ρευστό των ηλιακών συλλεκτών είναι διαφορετικό από το ρευστό του συσσωρευτή (συστήματα κλειστού κυκλώματος), χρησιμοποιούνται οι εναλλάκτες θερμότητας έμμεσης επαφής. Ο σκοπός τους είναι η μεταφορά της θερμικής ενέργειας του ζεστού ρευστού των συλλεκτών (υδατικό διάλυμα προπυλενογλυκόλης) στο κρύο ρευστό του συσσωρευτή (νερό).ανάλογα με τη θέση τους διακρίνονται σε εσωτερικούς και εξωτερικούς. Ο εσωτερικός εναλλάκτης τοποθετείται μέσα στο συσσωρευτή (Εικόνα 3.13) και αποτελείται από σωλήνες χαλκού ή ανοξείδωτου χάλυβα. Οι εσωτερικοί εναλλάκτες έχουν μικρότερο κόστος αλλά η απόδοση τους μειώνεται λόγω της απόθεσης αλάτων από το νερό. Η διαφορά θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου του υδατικού διαλύματος του συλλέκτη στον εναλλάκτη, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 10 ο C περίπου από τη διαφορά θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου του νερού στο συσσωρευτή. Εικόνα 3.13 Εσωτερικοί εναλλάκτες θερμότητας (αριστερά) και συσσωρευτής με εσωτερικό εναλλάκτη (δεξιά). 38

46 Ο εξωτερικός εναλλάκτης θερμότητας τοποθετείται μεταξύ του ηλιακού συλλέκτη και του συσσωρευτή και είναι τύπου αντιρροής (τα δύο ρευστά κινούνται με αντίθετη φορά). Χρησιμοποιούνται πλακοειδείς ή σωληνοειδής εναλλάκτες (εικόνα 3.14), που κατασκευάζονται από χαλκό ή ανοξείδωτο χάλυβα και η κυκλοφορία των δύο ρευστών γίνεται με τη βοήθεια αντίστοιχων αντλιών. Στους εξωτερικούς εναλλάκτες θερμότητας η διαφορά θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου του υδατικού διαλύματος του συλλέκτη στον εναλλάκτη πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 5 ο C περίπου από τη διαφορά θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου του νερού στο συσσωρευτή. Εικόνα 3.14 Πλακοειδής και σωληνοειδής εξωτερικός εναλλάκτης 3.6 Υπόλοιπες Διατάξεις του Συστήματος Πέραν του τμήματος συλλογής και αποθήκευσης υπάρχουν διατάξεις και όργανα που ενώνουν τα δυο κύρια τμήματα, αλλά και φροντίζουν για την σωστή λειτουργία και τον απαιτούμενο έλεγχο του συστήματος. Τα τμήματα αυτά δεν αποτελούν αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας και περιγράφονται μόνο τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Σύστημα Κυκλοφορητή Αντλίας Ο κυκλοφορητής είναι η αντλία, η οποία εξασφαλίζει την κυκλοφορία του υδατικού διαλύματος στο κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών. Η λειτουργία του, ξεκινάει όταν η θερμοκρασία του υδατικού διαλύματος στο πάνω μέρος των συλλεκτών, είναι μεγαλύτερη κατά ορισμένους βαθμούς από τη θερμοκρασία του νερού στο κάτω μέρος του συσσωρευτή ενέργειας. Χρειάζεται προσοχή στη διαστασιολόγηση του συστήματος του κυκλοφορητή, γιατί αν η ισχύς του κυκλοφορητή είναι χαμηλή, υπάρχει περίπτωση δημιουργίας μεγάλων θερμικών απωλειών στο εσωτερικό του κυκλώματος του ηλιακού συλλέκτη και επομένως την πολύ χαμηλή απόδοσή του. Αντίθετα, μεγάλη ισχύς, προκαλεί άσκοπη κατανάλωση ενέργειας [32]. Όργανα Ασφαλείας Δοχείο Διαστολής: Το δοχείο διαστολής, είναι ένα μεταλλικό δοχείο, που χωρίζεται σε δύο μέρη από μία ελαστική μεμβράνη. Η μεμβράνη χωρίζει το πάνω μέρος στο οποίο περιέχεται το υδατικό διάλυμα των συλλεκτών από το κάτω μέρος που περιέχει άζωτο, υπό αρχική πίεση. 39

47 Το δοχείο διαστολής χρησιμεύει στο να δέχεται την αύξηση όγκου στην αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού μεταφοράς της ενέργειας και σε περίπτωση στεγανοποίησης της εγκατάστασης χρησιμεύει στο να δέχεται όλο το υγρό, που περιέχεται στο εσωτερικό του συλλέκτη [32]. Τα δοχεία διαστολής έχουν τυποποιημένα μεγέθη (8 lt, 12 lt, 18 lt, 25 lt, 33 lt, 50 lt κλπ). Έχοντας υπολογίσει τον ελάχιστο απαιτούμενο όγκο V min επιλέγεται το κατάλληλο μέγεθος δοχείου διαστολής με όγκο ίσο ή τον αμέσως μεγαλύτερο. Βαλβίδα Ασφαλείας: Η βαλβίδα ασφαλείας είναι το όργανο εκείνο, που εκτονώνει μία ποσότητα ατμού από το κύκλωμα σε περίπτωση υπερπίεσης, ώστε η πίεση να επανέρχεται στο όριο ασφαλείας. Δεν επιδέχεται ρύθμιση και λειτουργεί στην ονομαστική πίεση. Η επιλογή της εξαρτάται από την αρχική πίεση Pin του συστήματος και τη στατική πίεση PΣ (PSS > Pin + PΣ). Η ενδεδειγμένη θέση τοποθέτησης είναι μετά τον κυκλοφορητή στο σωλήνα προσαγωγής του υδατικού διαλύματος στο συλλέκτη. Σε περίπτωση εγκατάστασης συστοιχιών ηλιακών συλλεκτών σε παράλληλους κλάδους, προβλέπεται μία βαλβίδα για κάθε κλάδο και μία κεντρική βαλβίδα, που τοποθετείται σε χαμηλότερη θέση. Η επιλογή της βαλβίδας ασφαλείας εξαρτάται από την επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών όσον αφορά τη διάμετρο της ενώ για τα επίπεδα πίεσης επιλέγεται ίση με την ονομαστική πίεση PSS. Εξαεριστικό: Όταν υπάρχει απουσία υδατικού διαλύματος, το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών γεμίζει με αέρα. Κατά την εισαγωγή του υδατικού διαλύματος μεγάλο ποσοστό του αέρα απομακρύνεται από το κύκλωμα μέσω ειδικών οργάνων, τα εξαεριστικά. Τοποθετούνται στο υψηλότερο σημείο του συστήματος ηλιοθερμίας και πρέπει να διατηρούν την αντοχή τους σε θερμοκρασίες 200 ο C [33]. Διαφορικός Πίνακας Ελέγχου Οι διαφορικοί πίνακες ελέγχου, επιτρέπουν την επαρκή χρήση και τον έλεγχο της λειτουργίας της ηλιοθερμικής εγκατάστασης ή της θέρμανσης. Αυτός ο τύπος ελεγκτή απαιτεί την ρύθμιση δυο διαφορετικών θερμοκρασιών, μία για να ξεκινήσει on (ανώτερη ζώνη) και μία για να σταματήσει off (κατώτερη ζώνη). Οι θερμοκρασίες του συστήματος μετρούνται συνήθως στην απορροφητική πλάκα του συλλέκτη και στο θερμοδοχείο. Αν η θερμοκρασία του συλλέκτη υπερβεί τη θερμοκρασία της δεξαμενής αποθήκευσης καθώς και την ανώτερη ζώνη η αντλία θα ενεργοποιηθεί. Αν η θερμοκρασία του συλλέκτη πέσει κάτω από τη θερμοκρασία κατάστημα συν την κατώτερη ζώνη η αντλία θα σταματήσει. Μια κοινή τιμή της άνω ζώνης "οη" είναι η διαφορά θερμοκρασίας 5-8 C και για την κατώτερη ζώνη ("off") 2-4 C [32]. 3.7 Υγρό Μεταφοράς της Θερμότητας Το ηλιοθερμικό σύστημα πρέπει να προστατεύεται από τον παγετό. Για τη δημιουργία μίγματος, από το οποίο αποτελείται το υγρό μεταφοράς της θερμότητας, συνίσταται πάντα η χρήση αντιπαγετικών προσθετικών και αντιδιαβρωτικών μη τοξικών ουσιών. 40

48 Το νερό αποτελεί το καλύτερο μέσο αποθήκευσης της θερμικής ενέργειας, αφού καλύπτει σε μεγάλο βαθμό τα παρακάτω χαρακτηριστικά: o o o o o o o o o μεγάλη ειδική θερμότητα μεγάλη θερμική διάχυση μεγάλο ειδικό βάρος χημική και γεωμετρική σταθερότητα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας μη εύφλεκτο μη διαβρωτικό μη τοξικό χαμηλό κόστος και διαθεσιμότητα Λόγω των χημικών ιδιοτήτων του (παγώνει στους 0 ο C και εξατμίζεται στους 100 ο C) μερικές φορές γίνεται προσθήκη προπυλενογλυκόλης. Η περιεκτικότητα σε προπυλενογλυκόλη πρέπει να ορίζεται έτσι ώστε να υπάρχει αντιπαγοτική ασφάλεια θερμοκρασίας 10 C χαμηλότερης της μέσης ελάχιστης θερμοκρασίας στην οποία γίνεται ο υπολογισμός σχεδιασμού της εγκατάστασης της θέρμανσης. Για παράδειγμα, εάν η θέρμανση διαστασιολογείται για μία μέση ελάχιστη θερμοκρασία των 5 C, με προσθήκη προπυλενογλυκόλης σε ποσοστό 40% κατά βάρος, θα έχουμε ως αποτέλεσμα την μείωση του σημείου πήξης στους -23 ο C και αύξηση του σημείο βρασμού (εικόνα 3.15). Εικόνα 3.15 Μεταβολή σημείου πήξης (αριστερά) και θερμοκρασίας ατμοποίησης (δεξιά) της προπυλενογλυκόλης Το αντιπηκτικό αυτό πρόσθετο μειώνει τη θερμοχωρητικότητα και τη θερμική αγωγιμότητα, αυξάνει το ιξώδες και κάνει το νερό πιο διαβρωτικό επομένως είναι απαραίτητη η προσθήκη ουσιών που προστατεύουν τους σωλήνες από τη διάβρωση. Το αντιδιαβρωτικό υγρό είναι ήδη αναμειγμένο στις περισσότερες περιπτώσεις της αγοράς με τα αντιπαγοτικά υγρά για ηλιοθερμικές εγκαταστάσεις. Παράλληλα, το νερό που χρησιμοποιείται για την κάλυψη φορτίων ζεστού νερού χρήσης είναι μια πηγή πόσιμου νερού που πρέπει να διατηρείται ασφαλές να πίνουν και να μην έχουν μολυνθεί από χημικές ουσίες. Εξαιτίας αυτού, τα μεγάλα συστήματα πρέπει να έχουν τουλάχιστον δύο συστήματα κυκλοφορίας ρευστού, ένα να ρέει διαμέσου του ηλιακού συλλέκτη και ένα άλλο που θερμαίνει και διανέμει το ζεστό νερό χρήσης. 41

49 Τέλος το ρευστό μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιούνται στον συλλέκτη πρέπει επίσης να αντέχει τις υψηλές θερμοκρασίες στασιμότητας [32]. Η στασιμότητα εμφανίζεται όταν το ρευστό μεταφοράς θερμότητας παραμένει στον συλλέκτη πάρα πολύ καιρό με παράλληλη αύξηση της θερμοκρασίας λόγω ηλιακής ακτινοβολίας. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας το υγρό μεταφοράς θερμότητας είναι υπό πίεση για να αποφευχθεί εξάτμιση, κάτι στο οποίο βοηθά και η ύπαρξη προπυλενογλυκόλης στο μίγμα η οποία αυξάνει το σημείο βρασμού του υγρού. 3.8 Ηλιοθερμικά Συστήματα Συνδυασμένης Λειτουργίας Κάλυψης Φορτίων Νερού Θέρμανσης και ΖΝΧ (Solar Combisystems) Σήμερα η τεχνολογία ηλιοθερμικών συστημάτων έχει εξελιχθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να αποτελούν πλέον ανταγωνιστική επιλογή συστήματος θέρμανσης έναντι των άλλων συμβατικών συστημάτων με λέβητα. Αυτό οφείλεται και στο γεγονός της παράλληλης ανάπτυξης των συστημάτων θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών. Τέτοια συστήματα είναι το ενδοδαπέδιο σύστημα το οποίο απαιτεί θερμότητα θερμοκρασίας κάτω των 35 C καθώς και τα θερμαντικά πινάκια (πανέλα) τα οποία λειτουργούν περίπου στους 50 C. Σε αυτές τις περιοχές των χαμηλών θερμοκρασιών, οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες λειτουργούν με υψηλό βαθμό απόδοσης όπως φαίνεται στην εικόνα Έτσι τα ηλιοθερμικά συστήματα μπορούν πλέον να συμβάλουν οικονομικά στην θέρμανση χώρων παράλληλα με την παραδοσιακή τους χρήση, δηλαδή την κάλυψη φορτίων ΖΝΧ. Εικόνα 3.16 Βαθμός απόδοσης ηλιακών συλλεκτών συναρτήσει θερμοκρασίας και τύπου συλλέκτη 42

50 Πλέον διατίθενται στην αγορά ηλιοθερμικά συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας κάλυψης φορτίων νερού θέρμανσης και ΖΝΧ, τα οποία αποκαλούνται ηλιοθερμικά συστήματα τύπου Combi. Τα συστήματα αυτά διακρίνονται από τα ηλιακά συστήματα κάλυψης φορτίων μόνο ΖΝΧ, ως προς τον τρόπο παραγωγής και αποθήκευσης του ΖΝΧ. Τα συστήματα Combi πρέπει να συνδυάζονται πάντα με μία βοηθητική πηγή ενέργειας διότι η ηλιακή ενέργεια δεν είναι πάντοτε διαθέσιμη. Παρά το γεγονός ότι το θερμοδοχείο αποθηκεύει θερμότητα για τις ώρες όπου δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία, αυτή η αποθηκευτική ικανότητα δεν μπορεί να καλύπτει φορτία σε περιόδους παρατεταμένης συννεφιάς [34]. Για τον λόγο αυτό, απαιτείται η χρήση μίας συμπληρωματικής πηγής θερμότητας, συνήθως λέβητας πετρελαίου ή αερίου, η οποία καλύπτει τις ανάγκες θερμότητας σε τέτοιου είδους περιόδους. Όσο αναφορά το τμήμα αποθήκευσης των συστημάτων, το μέγεθος του θερμοδοχείου αποθήκευσης καθορίζεται και από οικονομικούς λόγους. Ένα πολύ μεγάλο δοχείο, θα αποτελούσε μία δαπανηρή προσθήκη, η οποία δεν δικαιολογείται από τα πρόσθετα ενεργειακά οφέλη τα οποία αυτό παρέχει. Από την άλλη πλευρά ένα πολύ μικρό δοχείο, δεν επιτρέπει στην ηλιακή ενέργεια να καλύψει ένα μεγάλο ποσοστό των θερμικών αναγκών, διότι αυτές είναι συνήθως «ετεροχρονισμένες» από την ηλιακή ακτινοβολία, δηλαδή εμφανίζονται σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Στην πράξη ο λόγος του όγκου του θερμοδοχείου V (σε λίτρα) ως προς την επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών Α C (σε m 2 ), κυμαίνεται μεταξύ 50 και 100 λίτρων/m Τύποι ηλιοθερμικών συστημάτων συνδυασμένης λειτουργίας για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και την παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης Ενώ στα συμβατικά ηλιοθερμικά συστήματα το ΖΝΧ θερμαίνεται απ ευθείας από το ηλιακό ρευστό και αποθηκεύεται εντός του θερμοδοχείου, στα συστήματα τύπου Combi, τα πράγματα αντιστρέφονται, εντός του θερμοδοχείου αποθηκεύεται το νερό θέρμανσης, ενώ το ΖΝΧ παράγεται με τρεις διαφορετικούς τρόπους [31,34]: Σύστημα Α : Δοχείο ΖΝΧ εμβαπτισμένο μέσα στο θερμοδοχείο νερού θέρμανσης (Tank in tank) Σύστημα Β : Παραγωγή ΖΝΧ μέσα σε εμβαπτισμένο εναλλάκτη θερμότητας μέσα στο θερμοδοχείο Σύστημα Γ : Παραγωγή ΖΝΧ με εξωτερικό εναλλάκτη θερμότητας Σύστημα Α: Δοχείο στο Δοχείο Το θερμοδοχείο του συστήματος περιέχει το δοχείο παραγωγής και αποθήκευσης ΖΝΧ, το οποίο είναι ταυτόχρονα εναλλάκτης θερμότητας. Το σύστημα αυτό περιγράφεται με την βοήθεια της εικόνας Το θερμοδοχείο αποθηκεύει θερμότητα περί τους 50 έως 80 C. Η θερμότητα αυτή παρέχεται κυρίως από τους ηλιακούς συλλέκτες και όταν αυτοί δεν επαρκούν, από την βοηθητική πηγή θερμότητας. 43

51 Σημειώνεται ότι το νερό του λέβητα κυκλοφορεί ευθέως μέσα στο θερμοδοχείο χωρίς να παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας. Αντίθετα το ηλιακό ρευστό θερμαίνει το θερμοδοχείο μέσω εμβαπτισμένου εναλλάκτη θερμότητας. Εικόνα 3.17 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Α:Δοχείο στο Δοχείο Παρατηρείται ότι σε όλα τα θερμικά φορτία συνήθως είναι εγκατεστημένη και μία τρίοδη (ή τετράοδη) βαλβίδα αναμείξεως, με την οποία ρυθμίζεται η τελική θερμοκρασία του ΖΝΧ ή του νερού θέρμανσης. Στην εικόνα 3.18 δίδεται ένας εναλλακτικός τρόπος σύνδεσης της βοηθητική πηγής. Εικόνα 3.18 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Α: Εναλλακτική σύνδεση 44

52 Αντί η πηγή να συνδέεται απ ευθείας με το θερμοδοχείο, συνδέεται πάνω στο κύκλωμα θέρμανσης με διπλό σκοπό : αφ ενός την απ ευθείας παροχή θερμότητας στο κύκλωμα θέρμανσης και αφ ετέρου την παροχή θερμότητας προς το θερμοδοχείο για την διατήρηση της θερμοκρασίας του στα απαιτούμενα επίπεδα για την κάλυψη φορτίων ΖΝΧ Σύστημα Β: Εμβαπτισμένος Εναλλάκτης ΖΝΧ Το σύστημα τύπου Β του εμβαπτισμένου εναλλάκτη θερμότητας δίδεται στην εικόνα Οι συνδέσεις των θερμικών φορτίων με το θερμοδοχείο είναι ακριβώς οι ίδιες με εκείνες της εικόνας 3.17 ενώ η εναλλακτική διάταξη σύνδεσης του βοηθητικού λέβητα της εικόνας 3.18 ισχύει και στην παρούσα περίπτωση. Εικόνα 3.19 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Β: Εμβαπτισμένος εναλλάκτης Δύο τυπικά θερμοδοχεία αυτού του συστήματος απεικονίζονται σχηματικά παρακάτω στην εικόνα Στα αριστερά της εικόνας, ο εναλλάκτης του ηλιακού κυκλώματος απεικονίζεται με τον μικρό σπειροειδή σωλήνα στο κάτω μέρος ενώ ο εναλλάκτης του ΖΝΧ είναι ο μεγάλος σπειροειδής σωλήνας ο οποίος εκτείνεται καθ όλο το ύψος του θερμοδοχείου. Στα δεξιά, ο εναλλάκτης του ηλιακού πεδίου είναι ενσωματωμένος στο θερμοδοχείο στην κάτω δεξιά πλευρά του. Το νερό του θερμοδοχείου εισέρχεται στον ηλιακό εναλλάκτη και μπορεί να εξέλθει σε διαφορετικά σημεία καθ ύψος, ανάλογα με την θερμοκρασία του. Εάν το νερό θερμανθεί από το ηλιακό πεδίο αρκετά, τότε αυτό εξέρχεται στο υψηλότερο σημείο. Η τεχνική αυτή αποτελεί μία από τις διαθέσιμες τεχνικές για την εξασφάλιση θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης εντός του θερμοδοχείου. 45

53 Εικόνα 3.20 Αναπαράσταση τυπικών θερμοδοχείων με εμβαπτισμένο εναλλάκτη Σύστημα Γ : Εξωτερικός Εναλλάκτης ΖΝΧ Η σχηματική διάταξη του τύπου αυτού, είναι παρόμοια με εκείνη των τύπων Α και Β. Όμως η παραγωγή ΖΝΧ γίνεται εξωτερικά του θερμοδοχείου με την χρήση εναλλάκτη θερμότητας και ξεχωριστού κυκλώματος θέρμανσης του εναλλάκτη με χωριστό κυκλοφορητή (εικόνα 3.21). Εικόνα 3.21 Αναπαράσταση διάταξης ηλιοθερμικού συστήματος τύπου Γ : Εξωτερικός εναλλάκτης 46

54 3.8.5 Ελεγκτής του Ηλιοθερμικού Συστήματος Όλα τα ηλιοθερμικά συστήματα Combi, διαθέτουν ηλεκτρονικό ελεγκτή ο οποίος αναλαμβάνει τον ρύθμιση της λειτουργίας των κυκλοφορητών, της βοηθητικής πηγής και των τριόδων βαλβίδων αναμίξεως με σκοπό την μεγιστοποίηση της ηλιακής απολαβής και της ελαχιστοποίησης της χρήσεως της βοηθητικής πηγής ενέργειας. Στον ελεγκτή αυτόν προσάγονται όλα τα αισθητήρια θερμοκρασίας τα οποία είναι τοποθετημένα εντός του θερμοδοχείου για την μέτρηση της θερμοκρασίας νερού βάσει των οποίων ρυθμίζεται η λειτουργία της βοηθητικής πηγής. Επίσης προσάγονται και οι μετρήσεις θερμοκρασίας στα κυκλώματα θέρμανσης, βάσει των οποίων ρυθμίζονται οι τρίοδες βαλβίδες [32]. Εικόνα 3.22 Τυπικός ελεγκτής ηλιοθερμικού συστήματος 47

55 4 ΜΕΛΕΤΗ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΚΑΤΟΙΚΙΑ 4.1 Διαμόρφωση και Χαρακτηριστικά Κατοικίας Στην παρούσα εργασία επιλέχτηκε ένα τυπικό νεόκτιστο τριώροφο κτίριο. Η διαμόρφωση του κάθε ορόφου φαίνεται στην εικόνα 4.1. Σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ (κανονισμός ενεργειακής απόδοσης κτηρίων) θεσμοθετείται ο ολοκληρωμένος ενεργειακός σχεδιασμός στον κτιριακό τομέα με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσής των κτιρίων, την εξοικονόμηση ενέργειας και την προστασία του περιβάλλοντος. Επίσης γίνεται ο διαχωρισμό της Ελλάδος σε τέσσερις κλιματικές ζώνες (Α, Β, Γ, Δ) και αναλόγως την γεωγραφική θέση του κτιρίου ισχύουν και διαφορετικοί κανόνες. Το κτίριο αναφοράς βρίσκεται στην Θεσσαλονίκη (40.30 Ν, Ε), άρα στην κλιματική ζώνη Γ. Εικόνα 4.1 Εσωτερική διαμόρφωση της υπό μελέτη κατοικίας 48

56 Οι εξωτερικές διαστάσεις του κτιρίου είναι 10,6 m μήκος, 10,5 m πλάτος, 3 m τυπικό ύψος κάθε ορόφου και ο διαμήκης άξονας του είναι προσανατολισμένος προς την ανατολή. Κάθε όροφος καλύπτει μια επιφάνεια 97,5 m 2 (θερμαινόμενος χώρος) και συνολικά υπάρχουν 873 m 3 θερμαινόμενου χώρου. Η αναλογία των παραθύρων και της πόρτας (ανοίγματα) προς τον συνολικό θερμαινόμενο χώρο είναι 0,23. Σχετικά με τις εξωτερικές αδιαφανείς επιφάνειες του κτιρίου, λαμβάνεται συντελεστής μεταφοράς θερμότητας απορρόφησης και εκπομπής 0,4 και 0,8 αντίστοιχα. Οι τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας U των αδιαφανών στοιχείων του κελύφους του κτιρίου επιλέχτηκαν έτσι ώστε να καλύπτουν τη μέγιστη αποδεκτή μέση τιμή U m βάση των κανονισμών (Κ.ΕΝ.Α.Κ). Όσον αφορά τα παράθυρα, χρησιμοποιήθηκαν διπλά τζάμια με διαφορετικό διάκενο στο γυαλί και διαφορετικό θερμικό κενό στο πλαίσιο έτσι ώστε η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας U ολόκληρου του παραθύρου στο σύνολό της να καλύψει τη μέγιστη αποδεκτή τιμή U. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη το κέρδος ηλιακής θερμότητας μέσα από τα παράθυρα, επιλέγεται συντελεστής ηλιακής μετάδοσης ίσος με 0,55. Το κτίριο αναφοράς έχει επίπεδη στέγη και το ισόγειο θεωρείται μη θερμαινόμενος χώρος. Η συνολική έκταση των δομικών στοιχείων του κτιρίου στις τέσσερις κύριες κατευθύνσεις, ο συντελεστής θερμοπερατότητας, καθώς και ο μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας του κάθε στοιχείου του κτιρίου παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.1 και είναι σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ. Πίνακας 4.1 Προσανατολισμός, επιφάνεια και συντελεστής θερμοπερατότητας δομικών στοιχείων κτιρίου 49

57 Η μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας ολόκληρου του κτιρίου U m αλλά και ο λόγος επιφάνειας προς όγκο A/V είναι 0,7 και 0,68 αντίστοιχα. Το σύστημα θέρμανσης ενεργοποιείται όταν η εσωτερική θερμοκρασία είναι μικρότερη από 20 C για την περίοδο θέρμανσης που θεωρείται από 15 Οκτώβριου έως 30 Απριλίου για τη Θεσσαλονίκη. 4.2 Υπολογισμός Θερμικών Φορτίων Απωλειών Κτιρίου Μελέτη θερμικών αναγκών κτιρίου Οι θερμικές ανάγκες (φορτία) ενός χώρου και γενικότερα ενός κτιρίου είναι το ποσό θερμότητας που πρέπει να ληφθεί ως βάση για τον σχεδιασμό της εγκατάστασης θέρμανσης. Ουσιαστικά είναι το ποσόν της θερμότητας που πρέπει δοθεί, ώστε σε κάθε χώρο του κτιρίου να επικρατεί η θερμοκρασία που έχει επιλεγεί και να πληρούνται οι συνθήκες ευεξίας, όταν στο εξωτερικό περιβάλλον επικρατούν οι συνθήκες σχεδιασμού χειμώνα. Οι θερμικές ανάγκες είναι ιδιότητα του χώρου ή του κτιρίου και είναι ανεξάρτητες από το σύστημα θέρμανσης που θα εγκατασταθεί. Ο υπολογισμός των θερμικών αναγκών γίνεται για κάθε χώρο του κτιρίου ξεχωριστά, για να μπορεί να προσδιορισθεί το μέγεθος των θερμαντικών σωμάτων του κάθε χώρου. Το σύνολο των θερμικών αναγκών του κτιρίου προκύπτει από το άθροισμα των θερμικών αναγκών όλων των χώρων που θερμαίνονται. Γενικά οι συνολικές θερμικές απώλειες ενός χώρου οφείλονται στις θερμικές απώλειες μεταφοράς και στις θερμικές απώλειες αερισμού. Οι θερμικές απώλειες μεταφοράς πρέπει να υπολογίζονται ξεχωριστά για κάθε δομικό στοιχείο, όταν υπάρχει διαφορετικός συντελεστής θερμοπερατότητας ή διαφορετική διαφορά θερμοκρασίας. Ο υπολογισμός των θερμικών απωλειών αερισμού γίνεται με βάση ένα απλοποιημένο προσομοίωμα καθορισμού των ποσοτήτων αέρα που εισέρχονται από τους αρμούς των ανοιγμάτων του χώρου. Ο υπολογισμός παίρνει υπόψη τον τύπο του κτιρίου, το βαθμό προστασίας του στην ανεμόπτωση, το ύψος καθώς και τη στεγανότητα των ανοιγμάτων (θυρών, παραθύρων). Στη χώρα μας ως κανονισμός υπολογισμού των θερμικών αναγκών των κτιρίων ισχύει το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12831/2003 [35]. Οι καιρικές συνθήκες (θερμοκρασία αέρα ξηρού θερμομέτρου, ηλιακή ακτινοβολία και υγρασία) ποικίλλουν ανάλογα με την τοποθεσία σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ. Έτσι για τον υπολογισμό των φορτίων θέρμανσης έγιναν οι υποθέσεις που παρουσιάζονται παρακάτω στον πινάκα 4.2. Πίνακας 4.2 Υποθέσεις για τους υπολογισμούς φορτίων που αφορούν το κτίριο 50

58 Στον πινάκα 4.3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του υπολογισμού θερμικών φορτίων του κτιρίου αναφοράς σύμφωνα με το πρότυπο EN 12831/2003. Ως εξωτερική θερμοκρασία λαμβάνεται η Te = -2 C. Ως κλιματική ζώνη επιλέγεται η Γ, εφόσον το κτίριο βρίσκεται στην Θεσσαλονίκη, σύμφωνα με τους πινάκες του Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010 [36]. Ο υπολογισμός του θερμικού φορτίου πάρθηκε από προηγούμενη μελέτη η οποία έγινε βάση των ίδιων δεδομένων. Υπολογίζεται επίσης και ο συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών του κτιρίου, ο οποίος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση. Πίνακας 4.3 Αποτελέσματα υπολογισμού θερμικού φορτίου κτιρίου και συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών ΠΟΛΗ ΖΩΝΗ ΘΕΡΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ [KW] ΣΥΝΟΛΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΚΤΗΡΙΟΥ H B [W/K] ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Γ 12,22 516,47 Τέλος βάση του υπολογισμένου θερμικού φορτίου του κτιρίου γίνεται η διαστασιολόγηση του συστήματος θέρμανσης του κτιρίου, το οποίο επιλέγεται να έχει ονομαστική ισχύ 12,5 kw ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες του κτιρίου Εσωτερικά Θερμικά Κέρδη Τα εσωτερικά θερμικά κέρδη σε ένα κτίριο προέρχονται από τους ενοίκους (Qocc,sen), από τις διάφορες ηλεκτρικές συσκευές (Qequ,sen), από τον φωτισμό των χώρων του κτιρίου (Qlit) και από τα ηλιακά κέρδη (Qsol). Τα θερμικά αυτά κέρδη είναι θερμότητα που παράγεται (εκλύεται), επηρεάζουν την εσωτερική θερμοκρασία των κτιρίων και επιδρούν στο ενεργειακό τους ισοζύγιο. Κάθε άνθρωπος, ανάλογα με τη δραστηριότητά του, εκλύει θερμότητα υπό τη μορφή αισθητού και λανθάνοντος φορτίου. Το αισθητό φορτίο οφείλεται στη μεταφορά θερμότητας από το ανθρώπινο σώμα προς τον αέρα και στην ακτινοβολία του σώματος προς ψυχρότερες επιφάνειες. Η αναλογία μεταφοράς/ακτινοβολίας εξαρτάται από την ένδυση, τη δραστηριότητα του ατόμου και από τη θερμοκρασία των επιφανειών του χώρου. Για απλοποίηση των υπολογισμών, η αναλογία μεταφοράς/ακτινοβολίας συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη στις μεθόδους απλής μέτρησης για την εκτίμηση της ενεργειακής κατανάλωσης κτιρίων, και επομένως δεν υπεισέρχεται στους υπολογισμούς. Το λανθάνον φορτίο οφείλεται στην αναπνοή και στην εφίδρωση των ανθρώπων και είναι τόσο μεγαλύτερο όσο εντονότερη είναι η δραστηριότητά τους. Το λανθάνον φορτίο επίσης δεν λαμβάνεται υπόψη στην εκτίμηση των ενεργειακών απαιτήσεων ενός κτιρίου για θέρμανση, διότι θεωρείται ότι η παραγόμενη υγρασία από τους ανθρώπους συμβάλλει στη διατήρηση της υγρασίας του εσωτερικού αέρα στα κτίρια σε ικανοποιητικά επίπεδα κατά τη χειμερινή περίοδο. 51

59 Στον υπολογισμό των θερμικών κερδών από ανθρώπους (Qocc,sen) λαμβάνεται υπόψη και ο συντελεστής ετεροχρονισμού (μέσος συντελεστής παρουσίας ατόμων), μέσω του οποίου αντιστοιχίζεται η πραγματική-κατά μέσο όρο- ταυτόχρονη παρουσία των ατόμων στους χώρους ενός κτιρίου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Σύμφωνα με τον πινάκα 2.7 του Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010, όπου παρουσιάζεται η εκλυόμενη θερμότητα των χρηστών ανά χρήση κτιρίου για τον υπολογισμό της ενεργειακής του απόδοσης, γίνεται ο υπολογισμός των εσωτερικών φορτίων θερμικών κερδών από ανθρώπους που παρουσιάζεται στον πινάκα 4.4 [36]. Πίνακας 4.4 Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ανθρώπους ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΚΕΡΔΗ ΑΠΟ ΑΝΘΡΩΠΟΥΣ Q OCC ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ: 3 ΣΠΙΤΙΑ Χ 3 ΑΤΟΜΑ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΑΝΑ ΑΤΟΜΟ [W/PERSON] ΜΕΣΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣ ΣΥΝΟΛΙΚΑ ΚΕΡΔΗ QOCC [W] ΜΟΝΟΚΑΤΟΙΚΙΑ , Τα ηλιακά εσωτερικά κέρδη Qsol σε μια κατοικία αποτελούνται από την ηλιακή ακτινοβολία, η οποία εισέρχεται άμεσα μέσα από τις διαφανείς επιφάνειες (θύρες, παράθυρα) και από την ηλιακή ακτινοβολία. Η ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) έχει αναπτύξει μία μέθοδο, η οποία περιγράφεται στο ASHRAE Handbook of fundamentals (1993), για την εκτίμηση των ηλιακών θερμικών κερδών μέσα από διαφανείς επιφάνειες σε κτίρια, η οποία βασίζεται σε ένα μέγεθος αναφοράς [37]. Η εκτίμηση των ηλιακών θερμικών κερδών μέσα από διαφανείς επιφάνειες σε κτίρια σύμφωνα με τη μέθοδο της ASHRAE γίνεται από τη σχέση: Q sol,day = A g SC SF G shade CN PPSS Όπου: Q sol,day : το ημερήσιο ηλιακό θερμικό κέρδος μέσα από διαφανείς επιφάνειες, [W]. A g : η επιφάνεια των ανοιγμάτων, [m 2 ]. SC : ο συντελεστής σκίασης από τις εσωτερικές διατάξεις ηλιακής προστασίας. SF : ο συντελεστής σκίασης από υγρασία στις επιφάνειες υαλοπινάκων και λόγω πλαισίου. G shade : ο συντελεστής σκίασης από εξωτερικές διατάξεις σκίασης (πρόβολοι, δέντρα κλπ). CN : ο δείκτης αιθριότητας της περιοχής (T.O.T.E.E / 2010 πίνακας 4.3 [38]) PPSS : η πιθανή ηλιοφάνειας του μήνα (δίνεται από πίνακα και εξαρτάται από την κλιματική ζώνη), [hours/day] SHGFi : το ηλιακό θερμικό κέρδος για την ώρα i της ημέρας στον αντίστοιχο προσανατολισμό (δίνεται από πίνακα και σχετίζεται με τον προσανατολισμό της διαφανούς επιφάνειας και τον μήνα του έτους), [W/m 2 ] 52

60 Τα συνολικά θερμικά κέρδη κέρδη Qgain υπολογίζονται σύμφωνα με τη σχέση: Q gain = Q occ,sen +Q equ,sen +Q lit +Q sol Για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ενέργειας για θέρμανση, δεν λαμβάνονται υπόψη τα λανθάνοντα φορτία, διότι στα κλασσικά συστήματα θέρμανσης δεν υπάρχει συνήθως έλεγχος της υγρασίας, ενώ στην παρούσα εργασία θεωρούνται αμελητέα τα εσωτερικά φορτία από συσκευές (Qequ,sen) και τα εσωτερικά φορτία ηλεκτροφωτισμού (Qlit). Για τον υπολογισμό των εσωτερικών ηλιακών φορτίων, πρώτα έγινε διαχωρισμός των επιφανειών σε αυτές με σκίαση και σε αυτές χωρίς σκίαση (πίνακας 4.5). Έπειτα έγινε ο υπολογισμός του συντελεστή σκίασης για κάθε Gshade από προβόλους για τις επιφάνειες που σκιάζονταν για κάθε προσανατολισμό και τέλος ο υπολογισμός των συνολικών εσωτερικών θερμικών κερδών για την περίοδο θέρμανσης 15 Οκτώβριου έως 30 Απριλίου, ο οποίος παρουσιάζεται στον πίνακα 4.6. Πίνακας 4.5 Διαχωρισμός επιφανειών κτιρίου σε ελεύθερες και σκευαζόμενες ΕΠΙΦΑΝΕΙΣ ΑΝΟΙΓΜΑΤΩΝ ΑΝΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΚΑΙ ΣΚΙΑΣΗ ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΜΕ ΣΚΙΑΣΗ ΣΥΝΟΛΟ A G [Β] 13,2 26,4 39,6 A G [Ν] 5,4 0 5,4 A G [Α] 6,15 0 6,15 A G [Δ] 9,8 8,8 18,6 Το μέγεθος αναφοράς, το οποίο ονομάζεται συντελεστής θερμικού ηλιακού κέρδους (SHGF-solar heat gain factor) είναι το ηλιακό θερμικό κέρδος σε W/m 2 μέσα από ένα απλό υαλοπίνακα πάχους 3 mm, και υπολογίζεται για μία χαρακτηριστική μέρα κάθε μήνα, σε 17 διαφορετικούς προσανατολισμούς και για γεωγραφικό πλάτος 0 N έως 64 N. Για να είναι δυνατός ο υπολογισμός των ηλιακών κερδών μέσα από διαφορετικούς τύπους υαλοπινάκων με διάφορες διατάξεις σκίασης, χρησιμοποιείται ο συντελεστής σκίασης (SC-shading coefficient), ο οποίος συσχετίζει το ηλιακό θερμικό κέρδος μέσα από ένα συγκεκριμένο υαλοπίνακα με συγκεκριμένες διατάξεις σκίασης με το ηλιακό θερμικό κέρδος μέσα από τον υαλοπίνακα αναφοράς. 53

61 Πίνακας 4.6 Συνολικά εσωτερικά και ηλιακά θερμικά κέρδη ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΚΕΡΔΗ QSOL ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. SC 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 SF 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 Gshade [Β] Gshade [Ν] Gshade [Α] Gshade [Δ] Gshade [Β] (β=40 ο ) Gshade [Δ] (β=40 ο ) 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 CN 0,48 0,43 0,4 0,41 0,43 0,44 0,49 PPSS 5,5 4 3,2 3,4 4,3 4,9 6,7 SHGFi [Β] SHGFi [Ν] SHGFi [Α/Δ] Qsol [Β] 21,72 10,61 6,32 8,03 15,21 23,06 48,62 Χωρίς Σκίαση Με σκίαση Qsol [Ν] 81,31 53,84 38,78 44,34 59,13 58,42 62,44 Qsol [Α] 41,49 19,78 12,27 16,03 30,12 45,04 81,18 Qsol [Δ] 66,12 31,52 19,55 25,55 48,00 71,78 129,35 Qsol' [Β] 28,67 14,01 8,34 10,60 20,08 30,44 64,18 Qsol' [Δ] 41,56 19,81 12,29 16,06 30,17 45,12 81,31 Qocc [W] Qgain [W] 820,9 689,6 637,5 660,6 742,7 813,9 1007,1 Total [W] 5372,3 54

62 4.2.3 Υπολογισμός Κατανάλωσης Ενέργειας για Θέρμανση Μία από τις απλούστερες μεθόδους για τον υπολογισμό των ετησίων αναγκών για θέρμανση ενός κτιρίου με σχετικά καλή ακρίβεια είναι η μέθοδος των βαθμοημερών θέρμανσης μεταβλητής βάσης. Η μέθοδος αυτή είναι μία γενίκευση της κλασσικής μεθόδου των βαθμοημερών. Διατηρεί τη γενική ιδέα των βαθμοημερών αλλά ο υπολογισμός τους στη περίπτωση αυτή γίνεται με βάση τη θερμοκρασία ισορροπίας (balance point temperature), η οποία ορίζεται ως η θερμοκρασία εκείνη του εξωτερικού περιβάλλοντος, στην οποία το κτίριο δεν χρειάζεται ούτε ψύξη ούτε θέρμανση [39]. Η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου Τ bal, ορίζεται ως η θερμοκρασία εκείνη του εξωτερικού περιβάλλοντος Τ o, στην οποία για τη δεδομένη εσωτερική θερμοκρασία του κτιρίου Τ int, οι συνολικές θερμικές απώλειες είναι ίσες με τα θερμικά κέρδη από τον ήλιο, τους ανθρώπους, τα φώτα και τις συσκευές, επομένως θα ισχύει: H B (Τ int - Τ bal ) = Q gain Όπου, H B είναι ο συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών του κτιρίου που λαμβάνεται από τον υπολογισμό θερμικών φορτίων, σε W/K. Άρα η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου υπολογίζεται από την σχέση: Τ bal = T int - Όπου: T bal : η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου, [ C] Q gain : τα συνολικά θερμικά κέρδη του κτιρίου (από ήλιο, ανθρώπους, φώτα και συσκευές), [W] T int : η εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού, [ C] Θέρμανση απαιτείται όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ o πέσει κάτω από τη θερμοκρασία ισορροπίας Τ bal. Ο ρυθμός κατανάλωσης ενέργειας του κτιρίου είναι: Q h = [T bal T o (t)] όπου t είναι ο χρόνος και n h είναι ο βαθμός απόδοσης του συστήματος θέρμανσης, ο οποίος εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας (σταθερές ή μεταβαλλόμενες), από το μέγεθος και την ποιότητα κατασκευής της εγκατάστασης, από τις διακοπές λειτουργίας, από τη χρήση συσκευών εξοικονόμησης ενέργειας και από διάφορους άλλους παράγοντες. Εάν θεωρηθεί ότι τα μεγέθη n h, T bal και H B είναι σταθερά τότε η μηνιαία ενεργειακή κατανάλωση για τη θέρμανση του κτιρίου μπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση: Q h,mo = 55

63 όπου το θετικό σύμβολο (+) σημαίνει ότι λαμβάνονται υπόψη μόνο οι θετικές τιμές. Το ολοκλήρωμα της θερμοκρασιακής διαφοράς δείχνει ουσιαστικά την επίδραση της εξωτερικής θερμοκρασίας στο κτίριο. Πρακτικά μπορεί να προσεγγισθεί από ένα άθροισμα θερμοκρασιακών διαφορών σε μικρά χρονικά βήματα (ημερήσια ή ωριαία), και το αποτέλεσμα είναι οι βαθμοημέρες ή οι βαθμοώρες με βάση τη θερμοκρασία T bal. Εάν ο υπολογισμός γίνει με τη μέση ημερήσια θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος T e,m, οι βαθμοημέρες θέρμανσης υπολογίζονται από τη σχέση: DD h (T bal ) = 1day Οι βαθμοημέρες (σε Kdays) ως συνάρτηση της T bal είναι ένας δείκτης της επίδρασης της εσωτερικής θερμοκρασίας του κτιρίου T int, των θερμικών κερδών από τις εσωτερικές πηγές ενέργειας και του συντελεστή H B. Ο υπολογισμός των βαθμοημερών μπορεί να γίνει και με τη μέση ωριαία θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος T e,hm, αντίστοιχα από τη σχέση: DD h (T bal ) = 1h Εκτός από τον υπολογισμό με βάση τη μέση ημερήσια θερμοκρασία ή τη μέση ωριαία θερμοκρασία οι βαθμοημέρες μπορούν να υπολογισθούν και με βάση τη μέση τιμή της μέγιστης και της ελάχιστης θερμοκρασίας της ημέρας. Οι διαφορετικοί τρόποι υπολογισμού εξηγούν και τις διαφορές που παρατηρούνται στις τιμές που δίνονται από διάφορες πηγές. Μετά τον υπολογισμό της θερμοκρασίας ισορροπίας T bal και των βαθμοημερών με βάση την T bal, η μηνιαία ενεργειακή κατανάλωση για τη θέρμανση του κτιρίου δίδεται από τη σχέση : Q h,mo = DD h (T bal ) Η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση υπολογίζεται αθροίζοντας τις μηνιαίες καταναλώσεις: Q h,yr = όπου j ο αριθμός των μηνών της χειμερινής περιόδου [30]. Η μέθοδος των βαθμοημερών με μεταβλητή βάση έχει πολύ μεγάλη ευελιξία, εφόσον η ενεργειακή κατανάλωση Qh μπορεί να υπολογισθεί για οποιαδήποτε χρονική περίοδο, από ένα μήνα έως τη συνολική περίοδο θέρμανσης. Η ακρίβεια της μεθόδου εξαρτάται από την ακριβή εκτίμηση των εσωτερικών πηγών ενέργειας του κτιρίου και των ηλιακών κερδών στην περίοδο υπολογισμού. 56

64 Δεδομένου ότι η θερμική αδράνεια του κτιρίου παίζει σημαντικό ρόλο στην αξιοποίηση της ενέργειας από τον ήλιο και τις εσωτερικές πηγές ενέργειας, η μέθοδος πρέπει να χρησιμοποιείται κυρίως σε περιπτώσεις κτιρίων με ικανοποιητική θερμική αδράνεια. Δεν ενδείκνυται η εφαρμογή της μεθόδου σε παθητικά ηλιακά κτίρια, στα οποία ένα μεγάλο ποσοστό των θερμικών απωλειών καλύπτεται από την ηλιακή ακτινοβολία. Η εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας με τις μεθόδους των βαθμοημερών εφαρμόζεται κυρίως σε κτίρια κατοικιών με συμβατικά συστήματα θέρμανσης, ενώ σε συστήματα με αντλίες θερμότητας εφαρμόζονται άλλες μέθοδοι. Ο υπολογισμός της ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας για το κτίριο αναφοράς, έγινε με την μέθοδο βαθμοημερών μεταβλητής βάσης. Η εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού Τint υπολογίστηκε για ρύθμιση θερμοκρασίας στους 20 ο C για 18 ώρες την ημέρα και στους 18 ο C για τις υπόλοιπες 6 ώρες την νύκτα και η τιμή της είναι 19,5 ο C. Στην συνέχεια βάση αυτής της θερμοκρασίας επιλεχτήκαν από πινάκες οι βαθμοημέρες θέρμανσης για την πόλη της Θεσσαλονίκης. Στον πινάκα 4.7 φαίνονται οι υπολογισμοί που έγιναν με την βοήθεια του προγράμματος microsoft excel, για την περίοδο θέρμανσης. Πίνακας 4.7 Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση με την μέθοδο βαθμοημερών μεταβλητής βάσης ΒΑΘΜΟΗΜΕΡΕΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. Tint 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 HB Tbal 17,91 18,17 18,27 18,22 18,06 17,93 17,55 DDh β.α. 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 Qgain [W] 820,9 689,6 637,5 660,6 742,7 813,9 1007,1 Qh,mo [kwh] 1240, , , , , , ,83 Total [kwh] 23616,6 4.3 Υπολογισμός Κατανάλωσης και Θερμικού Φορτίου Ζ.Ν.Χ. Κάθε κτίριο, ανάλογα με τη γενική του χρήση αλλά και τις συνήθειες των χρηστών του, παρουσιάζει διαφορετική κατανάλωση Ζ.Ν.Χ. Για τον υπολογισμό της κατανάλωσης θερμικής ενέργειας για παραγωγή Ζ.Ν.Χ. καθορίστηκε, σύμφωνα με τον πίνακα 2.5. T.O.T.E.E / 2010, η τυπική ημερήσια κατανάλωση Ζ.Ν.Χ. ανά άτομο/χρήστη του υπό μελέτη κτιρίου ή της υπό μελέτη ζώνης. Οι τιμές του πίνακα 2.5, λαμβάνονται από τη διεθνή βιβλιογραφία και τις τυπικές τιμές που προτείνει το πρότυπο ΕΛΟΤ EN :2008 για ορισμένες χρήσεις κτηρίων και χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς της κατανάλωσης ενέργειας για Ζ.Ν.Χ. του κτιρίου [36]. 57

65 Προκειμένου να γίνει ο υπολογισμός του απαιτούμενου θερμικού φορτίου για Ζ.Ν.Χ., οι καταναλώσεις αναφέρονται σε θερμοκρασία Ζ.Ν.Χ. 50 o C, η οποία λαμβάνεται και κατά τους υπολογισμούς της ενεργειακής απόδοσης κτηρίων. Στον πινάκα 4.8 παρουσιάζεται η ημερήσια κατανάλωση ΖΝΧ. Πίνακας 4.8 Ημερήσια κατανάλωση ΖΝΧ κτιρίου ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ZNX ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΤΟΜΑ 9 ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ/ΑΤΟΜΟ 50 Lt/DAY/PERSON ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ 450 Lt/DAY Για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης απαιτείται ένα ποσό ενέργειας για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού μέχρι την επιθυμητή θερμοκρασία και να καλυφθούν οι απώλειες του δικτύου διανομής του ζεστού νερού. Το απαιτούμενο ποσό εξαρτάται από το είδος του κτιρίου (κατοικία, ξενοδοχείο κλπ), από το μέγεθος του κτιρίου και από τον τρόπο ζωής όσων χρησιμοποιούν το νερό. Το φορτίο δίνεται από την σχέση : L w = N V m ρ C p (T w - T m ) Όπου, N : αριθμός ημερών του μήνα V m : μέση ημερησία κατανάλωση ζεστού νερού [lt] Τ w : επιθυμητή θερμοκρασία ζεστού νερού [50 o C] ρ : ειδικό βάρος του νερού [kg/m 3 ] C p : ειδική θερμότητα του νερού [kj/kg K] Τ m : θερμοκρασία του κρύου νερού [ o C] Για τον υπολογισμό του θερμικού φορτίου του ΖΝΧ, η θερμοκρασία Τ m επιλέγεται από τον πινάκα 6.2 του T.O.T.E.E /2010 [38], και τα αποτελέσματα παρατίθενται στον πινάκα 4.9. Αρχικά υπολογίζεται το ημερήσιο φορτίο ΖΝΧ (Q d )από την σχέση: Q d = V m ρ Cp ΔΤ / 3600 [kwh/day] Και έπειτα ανάγεται σε μηνιαίο φορτίο αναλόγως τις μέρες λειτουργιάς του συστήματος ανά μήνα. 58

66 Πίνακας 4.9 Υπολογισμός θερμικού φορτίου ΖΝΧ ΦΟΡΤΙΟ ΖΝΧ ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠΤ. ΟΚΤ. Cp [kj/kgk] 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 4,19 Πυκνότητα ρ [kg/m3] Ημερήσια Κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Θερμοκρασία Νερού Δικτύου [ o C] ΝΟΕΜ ,2 7,9 9,2 12,8 16,8 20,2 21,5 22,8 22,1 19,4 15,7 11 Tw (C o ) 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 ΔΤ 41,80 42,10 40,80 37,20 33,20 29,80 28,50 27,20 27,90 30,60 34,30 39,00 Ημερήσιο Θερμικό Φορτίο Qd [kwh/day] 21,89 22,05 21,37 19,48 17,39 15,61 14,93 14,25 14,61 16,03 17,96 20,43 Ημέρες Μήνα Μηνιαίο Φορτίο Νερού [kwh] Συνολικό Φορτίο ΖΝΧ [kwh] 678,7 617,4 662,4 584,5 539,0 468,2 462,7 441,6 438,4 496,8 538,9 633, ΔΕΚ. 4.4 Διαστασιολόγηση Συλλεκτών Για να αξιολογηθεί η απόδοση ενός κεντρικού συστήματος ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με συγκεκριμένη ζήτηση φορτίου (θέρμανση χώρων ή/και ZNX), έχουν αναπτυχθεί διάφορες προσεγγιστικές μέθοδοι. Η πιο γνωστή μέθοδος υπολογισμού είναι η μέθοδος καμπυλών f που έχει επίσης ενσωματωθεί στο εθνικό και ευρωπαϊκό πρότυπο Μέθοδος Καμπύλων f Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της μηνιαίας και ετήσιας θερμικής απόδοσης ενεργητικών ηλιακών συστημάτων υπολογίζοντας το ποσοστό του ολικού θερμικού φορτίου που θα καλυφθεί από την ηλιακή ενέργεια. Η βασική παράμετρος είναι η επιφάνεια των συλλεκτών. Δευτερεύουσες παράμετροι είναι ο τύπος του συλλέκτη, η δυνατότητα αποθήκευσης, ο ρυθμός ροής μάζας και το μέγεθος των εναλλακτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά του συλλέκτη και του φορτίου [40]. 59

67 Η τελική σχέση που χρησιμοποιείται στην μέθοδο αυτή, υπολογίζει το συντελεστή κάλυψης f (το ποσοστό του μηνιαίου θερμικού φορτίου για θέρμανση χώρων και ΖΝΧ που καλύπτεται από την ηλιακή ενέργεια) σε σχέση με δυο αδιάστατες παραμέτρους: A. Η πρώτη παράμετρος συνδέεται με το πηλίκο των απωλειών του συλλέκτη προς το θερμικό φορτίο, B. Η δεύτερη παράμετρος συνδέεται με το πηλίκο της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας προς το θερμικό φορτίο. Το ποσοστό κάλυψης f του μηνιαίου θερμικού φορτίου υπολογίζεται από την εικόνα 4.2 ή από την παρακάτω σχέση, μέσω των συντελεστών "X" και "Y". f = 1,029 Y 0,065 X 0,245 Y 2 + 0,0018 X 2 + 0,0215 Y 3 όπου τα "Χ" και "Υ" παίρνουν τιμές μεταξύ των διαστημάτων "0<Y<3" και "0<X<18". Εικόνα 4.2 Το ποσοστό κάλυψης f συναρτήσει των παραμέτρων Χ και Υ [30] Ο συντελεστής "Χ" εκφράζει το ποσό των ενεργειακών απωλειών προς το συνολικό θερμικό φορτίο του μήνα και υπολογίζεται από τη σχέση: X = F R U L (Τ αναφ Τ α ) Δt k1 k2 60

68 Ο συντελεστής "Υ" εκφράζει το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αξιοποιήσει ο ηλιακός συλλέκτης προς το συνολικό θερμικό φορτίο του μήνα και υπολογίζεται από τη σχέση: Υ = F R (τα)n H β k3 Όπου: Αc : επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών [m 2 ] L : μέσο μηνιαίο φορτίο (J) για την παραγωγή ΖΝΧ (LΖΝΧ) ή/και θέρμανση χώρων "Lθ". Όπου το φορτίο ΖΝΧ υπολογίζεται σύμφωνα με το υποκεφάλαιο 4.3 και το απαιτούμενο μηνιαίο φορτίο για τη θέρμανση χώρων είναι ανάλογο των βαθμοημερών θέρμανσης στη διάρκεια του μήνα σε Joule. F RUL, F R (τα)n : χαρακτηριστικά μεγέθη του συλλέκτη που δίνονται από τον κατασκευαστή. Αντιπροσωπευτικές τιμές για ηλιακούς συλλέκτες δίνονται στον Πίνακα 3.1. FR'/FR : διορθωτικός συντελεστής συλλέκτη-εναλλάκτη σε περίπτωση που παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας όπως σε κλειστό σύστημα ηλιακού συλλέκτη. Το πηλίκο αυτό παίρνει τιμές από 0-1 και εξαρτάται από τις θερμικές ιδιότητες της επιφάνειας συναλλαγής και τις θερμοκρασίες των δύο ρευμάτων. Συνήθης τιμή της παραμέτρου αυτής είναι T αναφ : θερμοκρασία αναφοράς (100 ο C) T α : μέση μηνιαία θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας ( ο C) σύμφωνα Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010 [38] Δt : χρονική περίοδος κάθε μήνα (s), (τα)/(τα) n : διορθωτικός συντελεστής λόγω της θέσης του συλλέκτη και της εποχής του έτους, που ορίζεται ως το πηλίκο του γινομένου της μέσης μηνιαίας τιμής της διαπερατότητα "τ" και απορροφητικότητας "α" προς την αντίστοιχη τιμή με δείκτη "n" που αναφέρεται σε επίπεδο κάθετο στις ακτίνες του ήλιου. Η β : μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο επίπεδο του συλλέκτη ανά μονάδα επιφανείας (J/m2/μήνα) σύμφωνα με ΤΟΤΕΕ /2010 k1 : διορθωτικός συντελεστής χωρητικότητας αποθήκης (δεξαμενής). Η μέθοδος των καμπυλών f έχει αναπτυχθεί για ανοιγμένη χωρητικότητα δεξαμενής 75lt/m 2. Σε αυτή την περίπτωση ισχύει ότι k1=1. Σε διαφορετικές περιπτώσεις, ο διορθωτικός συντελεστής υπολογίζεται ως: όπου: Μ : ο ανοιγμένος όγκος της δεξαμενής ανά τετραγωνικό μέτρο συλλεκτικής επιφάνειας (lt/m2) 61

69 k2: διορθωτικός συντελεστής ζεστού νερού. Η μέθοδος των καμπυλών f έχει αναπτυχθεί, θεωρώντας ότι το φορτίο για το ΖΝΧ είναι πολύ μικρό σε σχέση με το θερμικό φορτίο για τη θέρμανση χώρου. Στην περίπτωση αυτή ο συντελεστής "k2" είναι ίσος με 1. Εάν οι υπολογισμοί αφορούν μόνο τη θέρμανση ΖΝΧ τότε ο "k2" υπολογίζεται από τη σχέση: Όπου: T α : μέση μηνιαία θερμοκρασία περιβάλλοντος ( ο C) σύμφωνα με ΤΟΤΕΕ /2010, T ΖΝΧ : επιθυμητή θερμοκρασία ζεστού νερού ( ο C) σύμφωνα με ΤΟΤΕΕ /2010, "T κ " θερμοκρασία νερού δικτύου ( ο C) σύμφωνα με ΤΟΤΕΕ /2010 k3 : διορθωτικός συντελεστής για τον εναλλάκτη θερμότητας φορτίου. Το μέγεθος του εναλλάκτη φορτίου επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Όταν μειώνεται το μέγεθος του εναλλάκτη η θερμοκρασία της δεξαμενής πρέπει να αυξηθεί για να μπορέσει να καλύπτει τις ίδιες ενεργειακές ανάγκες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη θερμοκρασία εισόδου του υγρού στους συλλέκτες, με ταυτόχρονη μείωση της απόδοσής τους. Η παράμετρος που αντιπροσωπεύει το μέγεθος του εναλλάκτη και είναι το γινόμενο λ = ε C min /(U L Ac όπου: ε : βαθμός εκμετάλλευσης του εναλλάκτη C min : η μικρότερη θερμική παροχή μεταξύ εργαζόμενου μέσου στο συλλέκτη και νερού του κυκλώματος θέρμανσης - σύστημα δεξαμενής [W/m 2 / o C] Οι καμπύλες f έχουν αναπτυχθεί για λ = 2. Σε αυτήν τη περίπτωση ισχύει k3=1. Για εναλλάκτες διαφορετικού μεγέθους, ο διορθωτικός συντελεστής υπολογίζεται από τη σχέση: k 3 = 0,39 + 0,65 exp - Για παραγωγή ΖΝΧ, ο συντελεστής παίρνει τιμή ίση με τη μονάδα ( k3=1) επειδή δεν παρεμβάλλεται εναλλάκτης φορτίου. Η μέση μηνιαία ωφέλιμη ενέργεια είναι το γινόμενο του f επί το μέσο μηνιαίο θερμικό φορτίο Li, για κάθε μήνα. Η μέση ετήσια κάλυψη F, είναι το πηλίκο του αθροίσματος των τιμών της μέσης μηνιαίας ωφέλιμης ενέργειας προς το μέσο ετήσιο φορτίο και υπολογίζεται από τη σχέση: Όπου i είναι ο κάθε μήνας για τον οποίο γίνεται ο υπολογισμός [30]. 62

70 4.4.2 Εφαρμογή της Μεθόδου Καμπύλων f στο κτίριο Για την διαστασιολόγηση του των ηλιακών συλλεκτών εφαρμόστηκε η μέθοδος f στο υπό μελέτη κτίριο. Αρχικά γίνεται εφαρμογή της μεθόδου προς κάλυψη μόνο των φορτίων ΖΝΧ ξεχωριστά και έπειτα λαμβάνοντας τα συνολικά φόρτια ΖΝΧ και θέρμανσης, εφαρμόζεται η μέθοδος και πάλι, υποθέτοντας όμως παντού την ίδια συλλεκτική επιφάνεια και τον ίδιο όγκο δοχείου, ώστε να υπολογιστεί το τελικό ποσοστό της παρεχόμενης κάλυψης. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών μεγεθών και των διορθωτικών συντελεστών του συλλέκτη. Οι ανάγκες για ΖΝΧ είναι 450 lt/ημέρα στους 50 ο C. Η επιλογή βέλτιστης γωνίας κλίσης των συλλεκτών έγινε σύμφωνα με την παράγραφο Για χρήση συστήματος όλο τον χρόνο, βέλτιστες γωνίες κλίσης είναι αυτές που βρίσκονται κοντά στο γεωγραφικό πλάτος της περιοχής το οποίο είναι 40,3 ο. Έτσι γίνεται διερεύνηση σύμφωνα με τα δεδομένα του πίνακα 4.4 ΤΟΤΕΕ /2010 και του παραρτήματος Β της ίδιας οδηγίας, λαμβάνονται οι τιμές της μέσης μηνιαίας ακτινοβολίας για την περιοχή της Θεσσαλονίκης σε κλίσεις 30 ο, 45 ο και 60 ο [38]. Έπειτα με γραμμική παρεμβολή υπολογιστήκαν οι τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας για τις τιμές 40 ο και 50 ο ώστε να γίνει σύγκριση. Τελικώς επιλέγεται η γωνία των 45 ο καθώς με αυτή την κλίση συλλεκτών λαμβάνεται η μεγαλύτερη μέση ηλιακή ακτινοβολία (132,25 kwh/m 2 ) για την συγκεκριμένη περιοχή και παρέχεται η μεγαλύτερη μέση ετήσια κάλυψη (με μικρή διαφορά από τις άλλες δυο επιλογές) όπως θα διακρίνεται και στην εικόνα 4.3. Radiation [kwh/m2] ο 45ο 50ο ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠΤ. ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. Εικόνα 4.3 Μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία αναλόγως την γωνία κλίσης των συλλεκτών 63

71 Γίνεται επιλογή όγκου δοχείου 3000 lt, ώστε να είναι ικανό να καλύψει τις ανάγκες παροχής ΖΝΧ αλλά και ζεστού νερού για θέρμανση, ακόμη και σε περίπτωση παρατεταμένης κακοκαιρίας. Με το πέρας της μεθόδου επιλέγεται η συλλεκτική επιφάνεια να είναι 36 m 2, στοιχείο το οποίο μαζί με τον όγκο του δοχείου χρησιμοποιείται και στους επιμέρους υπολογισμούς κάλυψης φορτίου ΖΝΧ και θέρμανσης. Για να γίνει χρήση του διαγράμματος καμπυλών f, η ανοιγμένη χωρητικότητα δεξαμενής M πρέπει να βρίσκεται σε συγκεκριμένα όρια τιμών 37,5 < Μ < 300. Η μέθοδος των καμπυλών f έχει αναπτυχθεί για ανοιγμένη χωρητικότητα δεξαμενής M = 75lt/m 2 [40]. Η ανοιγμένη χωρητικότητα του υπό μελέτη συστήματος είναι 83,33 lt/m 2, επομένως πρέπει να ληφθεί υπόψη στους υπολογισμούς και ο διορθωτικός συντελεστής χωρητικότητας δεξαμενής k1, ο οποίος υπολογίζεται από την σχέση: = 0,974 Επίσης εφόσον γίνεται υπολογισμός μόνο για φορτία ΖΝΧ πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο διορθωτικός συντελεστής παραγωγής ζεστού νερού k2, ο οποίος υπολογίζεται για κάθε μήνα. Οι διορθωτικοί συντελεστές k1 και k2 πολλαπλασιάζονται με την αδιάστατη παράμετρο Χ και η νέα αυτή τιμή της Χ χρησιμοποιείται στο διάγραμμα καμπυλών f, ώστε να υπολογιστεί το ποσοστό παρεχόμενης κάλυψης. Στην εικόνα 4.4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του υπολογισμού. Fi % 100% 95% 90% 85% 80% 75% ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠΤ. ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. Εικόνα 4.4 Μηνιαία κάλυψη φορτίου ΖΝΧ 64

72 Στην εικόνα 4.4 παρατηρείται ότι με το συγκεκριμένο σύστημα θέρμανσης παρέχεται κάλυψη που φτάνει το 96,7%. Το υψηλό αυτό ποσοστό προκύπτει λόγο του ότι το φορτίο ζεστού νερού είναι μικρό σε σύγκριση με το φορτίο θέρμανσης. Έτσι κατά τους μήνες οποίους δεν έχουμε απαιτήσεις σε φορτία θέρμανσης (Μάιος Σεπτέμβριος) το σύστημα είναι σε θέση να καλύψει πλήρως τα απαιτούμενα φορτία για ΖΝΧ, που είναι επιθυμητό αποτέλεσμα. Στην συνέχεια, γίνεται και πάλι ο υπολογισμός βάση των συνολικών φορτίων ΖΝΧ και θέρμανσης μαζί, όπου λαμβάνεται η ίδια συλλεκτική επιφάνεια και ο ίδιος όγκος θερμοδοχείου, αλλά μόνο ο συντελεστής διόρθωσης χωρητικότητας δεξαμενής k1. Η ετήσια κάλυψη που υπολογίζεται φτάνει το 40,7%, ενώ την μηνιαία κάλυψη των συνολικών φορτίων μπορούμε να την δούμε στην εικόνα 4.5. Fi% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠΤ. ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. Εικόνα 4.5 Μηνιαία κάλυψη συνολικών φορτίων Fi Η επιλογή των 36 m 2 έγινε διότι έκτος του ότι προσφέρει υψηλό ποσοστό κάλυψης, βρίσκεται και μέσα στα επιτρεπτά όρια της ανοιγμένης χωρητικότητα δεξαμενής M. Στα ηλιοθερμικά συστήματα η ανοιγμένη χωρητικότητα δεξαμενής M παίρνει τιμές lt/m2 με την τιμή της να επιδιώκεται να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη. Τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη αφορούν την παρεχόμενη κάλυψη που επιτυγχάνεται αλλά είναι και οικονομικά κριτήρια, αφού πρέπει να είναι σκόπιμη οποιαδήποτε περεταίρω αύξηση της συλλεκτικής επιφάνειας [41]. Με την επιλογή των 36 m 2 συλλέκτης επιφάνειας επιτυγχάνεται ποσοστό κάλυψης (40,7%) που είναι κοντά στα επιθυμητά όρια αλλά ταυτόχρονα διατηρείται υψηλή η ανοιγμένη χωρητικότητα Μ (83,33 lt/m2). Η διερεύνηση επιλογής συλλεκτικής επιφάνειας παρουσιάζεται στην εικόνα

73 Fi % Fi M M [lt/m2] 60% % % % 80 20% % 20 0% Επιφάνεια Συλλέκτη Ac 0 Εικόνα 4.6 Διερεύνηση επιλογής συλλεκτικής επιφάνειας μεθόδου καμπυλών-f Συμφώνα με το μηνιαίο απαιτούμενο φορτίο για την κάλυψη των αναγκών σε ΖΝΧ και θέρμανσης και τα ποσοστά κάλυψης της f-chart, υπολογίζεται το υπολειπόμενο φορτίο που καλύπτει το σύστημα θέρμανσης και παρουσιάζεται στον πινάκα Πίνακας 4.10 Κάλυψη συνολικών φορτίων και υπολειπόμενο φορτίο ΚΑΛΥΨΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Ποσοστό κάλυψης fi % Μηνιαίο φορτίο νερού [kwh] Φορτίο που καλύπτει το σύστημα θέρμανσης [kwh/day] Total [kwh] = ΙΑΝ. ΦΕΒ. ΜΑΡ. ΑΠΡ. ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠΤ. ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ

74 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 5.1 Λογισμικό Προσομοίωσης Polysun Το λογισμικό Polysun της Velasolaris επιτρέπει στους χρήστες του να προσομοιώσουν αποτελεσματικά συστήματα θέρμανσης καθ όλη την διάρκεια ενός έτους. Αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο για την Solartechnik Prufung Forschung (SPF), η οποία αποτελεί μέρος του Τεχνικού Πανεπιστημίου της HSR Rapperswil (Ελβετία). Το λογισμικό πραγματοποιεί μια δυναμική προσομοίωση για το σχεδιασμό των συστημάτων υπολογίζοντας την ενεργειακή απόδοση και παρέχοντας μια λεπτομερή αναπαράσταση των εγκαταστάσεων κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Έχει μια βιβλιοθήκη αποτελούμενη από διαθέσιμα κομμάτια συστημάτων τα οποία χρησιμοποιούνται και προσαρμόζονται στις ανάγκες του κάθε χρήστη. Τα συστήματα που μπορούν να προσομοιωθούν πλήρως με το συγκεκριμένο πρόγραμμα είναι τα ηλιοθερμικά, φωτοβολταικά και γεωθερμικά συστήματα. Το Polysun διαθέτει μια σειρά από προκαθορισμένα πρότυπα (templates). Το κάθε πρότυπο αναπαριστά ένα ολοκληρωμένο σύστημα θέρμανσης (είτε ηλιοθερμικό είτε άλλου είδους). Το κάθε πρότυπο μπορεί να εισαχθεί εντός του σχεδίου (project), και στη συνέχεια να θεωρείται ως μεταβλητή η οποία μπορεί ως εκ τούτου να τροποποιηθεί ή/και να προσομοιωθεί. Τα κύρια μέρη που αποτελούν το ηλιοθερμικό σύστημα της παρούσας εργασίας και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους παρουσιάζονται, μέσω της χρήσης του Polysun, στα επόμενα υποκεφάλαια. 5.2 Δεδομένα Τοποθεσίας και Κλιματικά Δεδομένα Αρχικά γίνεται ο ορισμός της τοποθεσίας του κτιρίου προς μελέτη, ώστε να υπολογιστεί από το πρόγραμμα η γραμμή πορείας του ηλίου αλλά και την ηλιακή ακτινοβολία της κάθε περιοχής. Ο ορισμός της θέσης γίνεται είτε με την χρήση γεωγραφικού πλάτους και μήκους είτε με την δυνατότητα του Polysun, το οποίο έχει τα στοιχεία όλων των πόλεων. Έτσι είναι αρκετό μόνο να επιλεγεί η πόλη ώστε να οριστούν τα περαιτέρω χαρακτηριστικά της. Στην εικόνα 5.1 παρατηρείται ότι ορίζοντας ως τοποθεσία του κτιρίου την Θεσσαλονίκη, λαμβάνονται οι συντεταγμένες και τα χαρακτηριστικά της τοποθεσίας του κτιρίου αναφοράς [42]. 67

75 Εικόνα 5.1 Κλιματικά δεδομένα τοποθεσίας 5.3 Περιγραφή Ηλιοθερμικού Συστήματος Κύκλωμα Ηλιακών Συλλεκτών Το κλειστό κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών αποτελείται από συλλέκτες, τον κυκλοφορητή, τον εναλλάκτη θερμότητας, που βρίσκεται μέσα στο συσσωρευτή ενέργειας (εσωτερικός) και τον controller. Η φόρτιση του δοχείου γίνεται μέσω εναλλάκτη, ώστε να μην αναμειχτεί το ρευστό των σωληνώσεων του ηλιακού κυκλώματος με το νερό του θερμοδοχείου, αφού το ρευστό περιέχει ποσοστό αντιπαγωτικής προσθήκης. Απαραίτητη, για την σωστή λειτουργία του κυκλώματος, είναι η ύπαρξη συσκευής ελέγχου (controller κυκλοφορητή ηλιακού κυκλώματος) που φαίνεται στην εικόνα 5.2 ανάμεσα στους σωλήνες μεταφοράς. Σκοπός του κυκλώματος είναι η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας ώστε να επιτευχθεί η φόρτιση του συσσωρευτή. Εικόνα 5.2 Κλειστό κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών 68

76 5.3.2 Ηλιακοί συλλέκτες Τα μετεωρολογικά δεδομένα που αφορούν τον συλλέκτη εισάγονται από το πρόγραμμα, όπως είναι η ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία περιβάλλοντος και ταχύτητα ανέμων. Η κλίση των συλλεκτών επιλέγεται 45 ο στραμμένη προς το νότο, ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενεργειακή απολαβή. Η συνολική επιφάνεια που καλύπτουν είναι 36 m 2 και αποτελείται από τέσσερις παράλληλες συστοιχίες (εικόνα 5.3). Το ρευστό μεταφοράς θερμότητας του συστήματος αποτελείται από προπυλένιο με περιεκτικότητα 33,3% ώστε να υπάρχει και αντιπαγωτική προστασία των σωλήνων του συλλέκτη. Εικόνα 5.3 Χαρακτηριστικά συλλέκτη Ηλεκτρονικός Πίνακας Έλεγχου Ηλιακού Κυκλώματος Ο ηλεκτρονικός πίνακας ελέγχου είναι υπεύθυνος για τη λειτουργία του κλειστού κυκλώματος των ηλιακών συλλεκτών. Πρακτικά, ελέγχει την θερμοκρασία στην έξοδο του συλλέκτη (Tcoll), στον πυθμένα (Ttank-b) και στην κορυφή της δεξαμενής (Ttank-p) καθώς και την προηγούμενη κατάσταση και τελικά παράγει κάποιο σήμα, γ=0 ή 1, το οποίο στέλνεται στην αντλία. Όταν η προηγούμενη κατάσταση είναι 1 τότε: Εάν Tcoll- Ttank-b>2 τότε γ=1 Εάν Tcoll- Ttank-b<2 τότε γ=0 Η διαφορά θερμοκρασίας είναι ρυθμισμένη στους 2 ο C, ενώ ταυτόχρονα παρακολουθείται η θερμοκρασία στην κορυφή της δεξαμενής έτσι ώστε η τιμή της να μην υπερβεί τους 90 ο C. Στην εικόνα 5.4 παρουσιάζονται οι ρυθμίσεις του controller κυκλοφορίας του ηλιακού κυκλώματος. 69

77 Εικόνα 5.4 Ρυθμίσεις ελεγκτή ηλιακού κυκλώματος Συσσωρευτής Ενέργειας Το θερμοδοχείο αποθήκευσης ενέργειας είναι ένα συνδυαστικό δοχείο, έχει κυλινδρικό σχήμα και είναι τοποθετημένο σε εσωτερικό χώρο της κατοικίας, όπως το λεβητοστάσιο, για τον περιορισμό των εξωτερικών απωλειών θερμότητας. Είναι τύπου δοχείο σε δοχείο και ο όγκος του συσσωρευτή εξετάζεται παραμετρικά. Σε πραγματικές συνθήκες εμφανίζονται φαινόμενα διαστρωμάτωσης. Στο μοντέλο αυτό γίνεται η υπόθεση από το Polysun ότι υπάρχουν 12 στρώματα. Επιλέγεται όγκος 2839 lt, ώστε να επιτυγχάνεται κάλυψη των θερμικών αναγκών κοντά στις τιμές των υπολογισμών που πραγματοποιήθηκαν. Το ύψος του δοχείου είναι 2,2 m, αποτελείται από επισμαλτωμένο χάλυβα και η μόνωση του πάχους 101 mm είναι από αφρό πολυρεθανίου. Η έξοδος του νερού που παράγεται γίνεται από την κορυφή του συσσωρευτή. Το θερμοδοχείο του συστήματος περιέχει το δοχείο παραγωγής και αποθήκευσης ΖΝΧ, το οποίο είναι ταυτόχρονα εναλλάκτης θερμότητας. Επίσης, η δεξαμενή αποθήκευσης διαμορφώνεται με εσωτερικούς σωλήνες διαστρωμάτωσης στις εισόδους της δεξαμενής για να διατηρηθεί η θερμική διαστρωμάτωση. Τέλος έχουμε και την ηλεκτρική αντίσταση, ως βοηθητική πηγή, της οποίας η λειτουργία ρυθμίζεται από τον controller της βοηθητικής θέρμανσης. 70

78 Εικόνα 5.5 Χαρακτηριστικά συνδυαστικού θερμοδοχείου Κύριο Σύστημα Θέρμανσης Ο λέβητας σε περίπτωση συνθηκών, που δεν επιτρέπουν τη λειτουργία του κυκλώματος των ηλιακών συλλεκτών, λειτουργεί ως βοηθητική ενέργεια στο σύστημα. Το μέγεθος του επιλέγεται σύμφωνα με τον υπολογισμό θερμικών φορτίων να είναι 12,5 kw ώστε να έχουμε κάλυψη αναγκών ακόμα και σε περιόδους παρατεταμένης κακοκαιρίας. Αποτελείται από λέβητα φυσικού αερίου με υψηλό βαθμό απόδοσης (90%) και ενσωματωμένο κυκλοφορητή. Ένας διαφορικός θερμοστάτης που βρίσκεται στον controller βοηθητικής θέρμανσης, είναι υπεύθυνος να θέσει σε λειτουργία το κλειστό κύκλωμα του λέβητα. Τα αισθητήρια του, τα οποία καταλήγουν στο διαφορικό θερμοστάτη, παρακολουθούν τη θερμοκρασία στα στρώματα του συσσωρευτή ώστε να διατηρείται η διαστρωμάτωση και όπου έχουμε κατανάλωση, ώστε να καλύπτεται η ζήτηση σε απαίτηση ζεστού νερού χρήσης. Για να τεθεί το σύστημα σε λειτουργία πρέπει να η θερμοκρασία του κτιρίου να βρίσκεται κάτω από τους 20 ο C. Στην εικόνα 5.6 απεικονίζονται και τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του. 71

79 Εικόνα 5.6 Κύριο σύστημα θέρμανσης και τα χαρακτηριστικά του Κλειστό Κύκλωμα θέρμανσης Κατοικίας Το κλειστό κύκλωμα ενδοδαπέδιας θέρμανσης, αποτελείται από καλοριφέρ (convectοr) θέρμανσης, μία τρίοδη ηλεκτροκίνητη βάνα ανάμειξης, τον κυκλοφορητή με τον ηλεκτρικό πίνακα ελέγχου. Το κύκλωμα θέρμανσης με καλοριφέρ επιλέγεται καθώς είναι ένα σύστημα με χαμηλές θερμοκρασίες προσαγωγής, και έτσι βοηθά στην καλύτερη λειτουργιά του ηλιοθερμικού συστήματος. Ο ρόλος του ηλεκτρικού πίνακα ελέγχου είναι να θέτει σε λειτουργία την τρίοδη ηλεκτροκίνητη βάνα, ώστε να επιτυγχάνουμε θερμοκρασία προσαγωγής νερού στο σύστημα της ενδοδαπέδιας στους 65 ο C. Η τρίοδη ηλεκτροκίνητη βάνα (αριστερά στην εικόνα 5.7) είναι υπεύθυνη για την ανάμιξη ζεστού νερού από το δοχείο με ποσότητα επιστρεφόμενου νερού, ώστε να επιτευχτεί η επιθυμητή θερμοκρασία. Η ισχύς του κάθε convector επιλέγεται από το Polysun να είναι 1000 W. 72

80 Εικόνα 5.7 Κλειστό κύκλωμα θέρμανσης Ανοιχτό Κύκλωμα Ζεστού Νερού Χρήσης Το κύκλωμα ΖΝΧ αποτελείται από την τρίοδη ηλεκτροκίνητη βάνα και τον ελεγκτή αναμικτικής βαλβίδας και τροφοδοτείται από τα ανώτερα στρώματα του θερμοδοχείου (εικόνα 5.8). Η ζήτηση σε ΖΝΧ είναι 450 lt/ημέρα στου 50 ο C. Η βάνα αναμειγνύει το ζεστό νερό του συσσωρευτή με το κρύο νερό του δικτύου, καθορίζοντας έτσι την επιθυμητή θερμοκρασία των 50 ο C στις καταναλώσεις ζεστού νερού. Εικόνα 5.8 Ανοιχτό κύκλωμα ΖΝΧ Κτίριο Το υπό μελέτη κτίριο αποτελείται από τρεις ορόφους, με συνολική επιφάνεια θερμαινόμενου χώρου 292,5 m 2. Οι συνολικές ενεργειακές απώλειες του κτιρίου είναι kwh και υπολογιστήκαν σύμφωνα με το υποκεφάλαιο 4.2.3, ενώ η ρύθμιση θερμοκρασίας δωματίου είναι στους 20 ο C. Στην εικόνα 5.9 παρουσιάζονται τα δεδομένα του κτιρίου που χρησιμοποιήθηκαν στο προσομοιωτικό πρόγραμμα Polysun. 73

81 Εικόνα 5.9 Συνολική εικόνα εγκατεστημένου ηλιοθερμικού συστήματος [42] Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του ηλιοθερμικού συστήματος συνδυασμένης λειτουργίας στο κτίριο και συγκρίνεται η απόδοση του με το συμβατικό σύστημα θέρμανσης. 74

82 5.4 Παρουσίαση Αποτελεσμάτων Προσομοίωσης Συστήματος Συμβατικό Σύστημα Λέβητας Αερίου χωρίς Ηλιακούς Συλλέκτες Αρχικά προσομοιώνεται το συμβατικό σύστημα θέρμανσης με βασική πηγή ενέργειας τον λέβητα φυσικού αερίου και τον όγκο δοχείου αποθήκευσης να παραμένει αμετάβλητος. Στον πινάκα 5.1 παρουσιάζονται τα ετησία αποτελέσματα προσομοίωσης για το συμβατικό σύστημα. Πίνακας 5.1 Ενεργειακά αποτελέσματα προσομοίωσης συμβατικού συστήματος Σύμβολο Ετήσια Τιμή Μονάδες Ηλιοθερμικό ενέργεια στο σύστημα Qsol 0 kwh Ενέργεια μονάδος παραγωγής θερμότητας στο σύστημα Qaux ,20 kwh Κατανάλωση καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας Eaux ,90 kwh Συνολική ενεργειακή κατανάλωση Quse ,40 kwh Έλλειμμα ενέργειας Qdef 1.241,70 kwh Απόδοση συστήματος [(Quse+Einv) / (Eaux+Epar)] εsys 0,8 - Συνολική κατανάλωση καυσίμου ή/και ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος Etot ,70 kwh Στην εικόνα 5.10 απεικονίζεται η συνολική κατανάλωση καυσίμου και ενέργειας του συστήματος (Etot). Η κατανάλωση που εμφανίζεται κατά τους καλοκαιρινούς μήνες είναι προς κάλυψη των απαιτήσεων ΖΝΧ, καθώς δεν υπάρχουν συλλέκτες ώστε να προσδώσουν την απαιτουμένη θερμότητα. Εικόνα 5.10 Μηνιαία κατανάλωση ενέργειας συμβατικού συστήματος [kwh] 75

83 5.4.2 Ηλιοθερμικό Σύστημα Συνδυασμένης Λειτουργίας με Λέβητα Αερίου ως βοηθητική πηγή Στον πινάκα 5.2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης του συνδυαστικού συστήματος combi στο κτίριο αναφοράς. Πίνακας 5.2 Ενεργειακά αποτελέσματα προσομοίωσης συνδυαστικού συστήματος combi Ηλιακή κάλυψη: ποσοστό ηλιακής ενέργειας στο σύστημα 76 Σύμβολο Ετήσια Τιμή Μονάδες SFn 60,3 % Ηλιακή κάλυψη σε ζεστό νερό SFnHw 77 % Ηλιακή κάλυψη στην θέρμανση SFnBd 49,9 % Ηλιοθερμική ενέργεια στο σύστημα Qsol ,30 kwh Ακτινοβολία στην επιφάνεια του συλλέκτη Esol ,90 kwh Απόδοση συλλέκτη Ενεργειακή απόδοση συλλέκτη συναρτήσει της συνολικής επιφάνειας του Ενέργεια μονάδος παραγωγής θερμότητας στο σύστημα Απαίτηση για ενέργεια θέρμανσης εξαιρώντας το ζεστό νερό Qsol / Esol 27,9 % 430,2 kwh/m²/έτος Qaux ,50 kwh Qdem kwh Απαίτηση ενέργειας ΖΝΧ Qdem 6.567,40 kwh Συνολική ενεργειακή κατανάλωση Quse ,50 kwh Κατανάλωση καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας Eaux ,10 kwh Κατανάλωση καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας κυκλοφορητών Epar 106,5 kwh Έλλειμμα ενέργειας Qdef 1.057,80 kwh Εξοικονόμηση συγκρινόμενη με το σύστημα αναφοράς Εξοικονομούμενη ποσότητα καυσίμου και/ή ηλεκτρικής ενέργειας Εξοικονόμηση CO2 (συγκρινόμενη με το σύστημα αναφοράς) Fss 58 % Ess ,10 kwh Απόδοση συστήματος [(Quse+Einv) / (Eaux+Epar)] 1,89 Συνολική κατανάλωση καυσίμου ή/και ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος 3.893,40 kg Etot ,60 kwh

84 Στην εικόνα 5.11 παρουσιάζεται το προσφερόμενο ποσοστό κάλυψης SFn ανά μήνα για το ηλιοθερμικό σύστημα. Παρατηρείται η πλήρης κάλυψη των αναγκών κατά τους καλοκαιρινούς μήνες αλλά και τον Μάιο και Σεπτέμβριο. Το συνδυαστικό σύστημα προσφέρει υψηλά ποσοστά κάλυψης επιτυγχάνοντας 77% στις απαιτήσεις σε ΖΝΧ και 49,9% στις απαιτήσεις για θέρμανση ετησίως. Εικόνα 5.11 Μέση μηνιαία ηλιακή κάλυψη [%] Επίσης πρέπει να αναφερθεί η εξοικονόμηση ενέργειας (58%) αλλά φυσικά και η εξοικονόμηση εκπομπής ρύπων που προσφέρει το ηλιοθερμικό σύστημα σε σύγκριση με το συμβατικό. Όπως υπολογίζεται από το πρόγραμμα κάθε έτος εξοικονομούνται 3.893,40 kg CO2, δείχνοντας ότι πέραν του μεγάλου ενεργειακού οφέλους υπάρχει και σημαντικό περιβαλλοντικό όφελος με την εγκατάσταση ενός ηλιοθερμικού συστήματος. Στην εικόνα 5.12 απεικονίζεται την συνολική κατανάλωση καύσιμου και ενέργειας μηνιαίως (Etot). Εικόνα 5.12 Συνολική μηνιαία κατανάλωση ενέργειας και καυσίμου [kwh] 77

85 Εξετάζοντας την εικόνα 5.12 παρατηρείται η συμβολή του ηλιοθερμικού συστήματος, καθώς η κατανάλωση κατά τους καλοκαιρινούς μήνες είναι μηδενική. Η ελάχιστες κατανάλωσης που εμφανίζονται από Μάιο έως Σεπτέμβριο αφορούν μόνο τους κυκλοφορητές του ηλιακού συστήματος που δουλεύουν εκείνους τους μήνες. Επίσης πρέπει να επισημανθεί και η ενεργειακή απόδοση του συλλέκτη συναρτήσει της συνολικής επιφάνειας του, που φτάνει τις 430,2 kwh/m²/έτος, τιμή αρκετά υψηλή η οποία δείχνει τις προοπτικές χρήσεις των ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα. Παράλληλα, επιλέγεται μια τυχαία στιγμή από την ετήσια προσομοίωση και παρουσιάζεται στην εικόνα 5.13, όπου παρατηρείται ότι η χρονική στιγμή βρίσκεται στην 1 η Ιουλίου και όπως αναμένεται υπάρχει παράγωγη θερμότητας από τους συλλέκτες. Η ηλιακή ενέργεια που συλλέγεται διοχετεύεται στο θερμοδοχείο αποθήκευσης μέσω των σωληνώσεων του κυκλώματος των ηλιακών συλλεκτών όπως και φαίνεται με κόκκινο χρώμα. Διακρίνονται τα 12 στρώματα του θερμοδοχείου και οι θερμοκρασίες τους, με τα υψηλότερα στρώματα να έχουν τις υψηλότερες θερμοκρασίες. Δεν υπάρχει παροχή ενέργειας από τον λέβητα αερίου, όπως δεν υπάρχει και παροχή νερού προς το κλειστό σύστημα θέρμανσης, αντίθετα το ανοιχτό κύκλωμα ΖΝΧ φαίνεται να ικανοποιείται λαμβάνοντας νερό θερμοκρασίας κοντά στους 50 ο C που είναι και το αναμενόμενο. Εικόνα 5.13 Τυχαία στιγμή κατά την προσομοίωση του συστήματος 78

86 Τέλος, στην εικόνα 5.14 μπορούμε παρουσιάζεται ένας ισολογισμός ενέργειας του ηλιοθερμικού συστήματος, καθώς φαίνονται οι εισροές και εκροές ενέργειας. Στις εισροές παρατηρείται ότι η συμβολή του συνδυαστικού ηλιοθερμικού συστήματος στην παραγωγή θερμότητας για το σύστημα, είναι υψηλότερη από το συμβατικό, κάτι που δικαιολογείται καθώς η προσφερόμενη κάλυψη ξεπερνά των συνολικών απαιτήσεων. Στις εκροές όπως αναμένεται, το κυριότερο μέρος της παραγόμενης θερμότητας καταναλώνεται για την κάλυψη των φορτίων θέρμανσης και σε μικρότερο ποσοστό για την κάλυψη των φορτίων ΖΝΧ. Εικόνα 5.14 Ενεργειακός ισολογισμός συστήματος 79