Διήμερο Περιβαλλοντικής Ενέργειας Εξοικονόμηση Ενέργειας σε κτήρια ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ. Αντλίες Θερμότητας. Heat pumps

Transcript

1 Διήμερο Περιβαλλοντικής Ενέργειας Εξοικονόμηση Ενέργειας σε κτήρια ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Αντλίες Θερμότητας Heat pumps Athens November

2 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Χαλκίδας ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ενεργειακών και Περιβαλλοντικών Ερευνών Ψυκτικών Διατάξεων Κλιματισμού & Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας Μιχάλης Γρ. Βραχόπουλος, Καθηγητής 2

3 Renewable s/1 3

4 Αναγκαιότητα Οι ενεργειακές ανάγκες συνεχώς γίνονται μεγαλύτερες (ανά κάτοικο)!!! Ο πληθυσμός του πλανήτη συνεχώς μεγαλώνει!!! Τα συνήθη συμβατικά καύσιμα μειώνονται!!! 4

5 Αναγκαιότητα Η διαχείριση της ενέργειας έχει πολλές πάρα πολλές απώλειες!!! Από την ενέργεια που παίρνει ο κάθε ένας αξιοποιεί ένα μικρό ποσοστό (κάτω του 15%) Η σπατάλη ενέργειας είναι επικίνδυνη!!! 5

6 ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ (ΟΡΥΚΤΑ )ΚΑΥΣΙΜΑ Πετρέλαιο, Άνθρακας και Λιγνίτης αν εξετάσει κανείς συνολικά τα ορυκτά καύσιμα : τελειώνουν τα αποθέματα τους. οι τιμές τους έχουν σταθερά ανοδική πορεία. ρυπαίνουν το περιβάλλον παράγουν αέρια του θερμοκηπίου που οδηγούν σε κλιματικές αλλαγές. 6

7 ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΥΔΑΤΙΚΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΒΙΟΜΑΖΑ Δυναμικό: εκατοντάδες (ή και χιλιάδες) MW 7

8 Η περιβαλλοντική ενέργεια: Εγκιβωτισμένη στον Αέρα. (που αναπνέουμε) Στη γη.. (που πατάμε) Στο νερό.. (που πίνουμε ή που λουόμαστε) Η πλέον ανανεώσιμη ενέργεια: 8

9 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ/ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Ελλάδα Ηλιοφάνεια Ημεγαλύτερη Στην Ευρώπη Ισχυροί άνεμοι στα νησιά του Αιγαίου Αξιόλογο Γεωθερμικό Δυναμικό Ικανό υδροδυναμικό υδάτινο δυναμικό Βιομάζα Κυρίως Θέρμανση υδάτων Υφιστάμενες και Υπό ανέγερση κατοικίες Συνεισφορά 10% και πλέον στην παραγωγή Ηλεκτρισμού Υψηλής Θερμοκρασίας ~300MWe σταθμών παραγωγής Ηλεκτρισμού Χαμηλής Θερμοκρασίας Πελώριες ποσότητες θερμότητας και μικρή παραγωγή ηλεκτρισμού Δίδει περί τις 4000GWh Σημαντικές ποσότητες από διαχείριση αποβλήτων Εφαρμογή Παθητικών Συστημάτων 9

10 Είναι πρακτικά ανεξάντλητες Δεν έχουν συγκεντρωμένη κατανομή, (τόπος,...) Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη Έχουν σχετικά χαμηλό κόστος λειτουργίας και δεν επηρεάζονται από τη διακύμανση της Διεθνούς Οικονομίας και την τιμή των καυσίμων Δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας (επενδύσεις) σε τοπικό επίπεδο Γρήγορη κατασκευή Πυρήνας αναζωογόνησης Οικονομικά και Κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλος για την τοπική ανάπτυξη (λ.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με γεωθερμική ενέργεια) Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον 10 άνθρωπο

11 Αντλίες Θερμότητας Η αντλία θερμότητας είναι συσκευή που έχει τη δυνατότητα επέμβασης στον κύκλο ψύξης του συστήματος, έτσι ώστε να δίνει άλλοτε ζεστό και άλλοτε κρύο αέρα (νερό ή ότι άλλο), ανάλογα με τις κλιματιστικές ανάγκες του χώρου Η αρχή λειτουργίας της είναι η ίδια που εφαρμόζεται και στα ψυγεία, όπου η θερμότητα μεταφέρεται απότοχώροτουψυγείου(λ.χ. 5 C) στο χώρο του περιβάλλοντος (λ.χ. 28 C), ή στις κλιματιστικές συσκευές παραθύρου, μετιςοποίεςηθερμότητα μεταφέρεται από το δωμάτιο (λ.χ. 25 C) στο ύπαιθρο (λ.χ. 38 C). 11

12 Αντλίες Θερμότητας Οι αντλίες θερμότητας είναι συσκευές που απορροφούν χρήσιμη θερμότητα από ψυχρό περιβάλλον, το χειμώνα και την αποδίδουν ως χρήσιμη θερμότητα σε υψηλή θερμοκρασία καταναλώνοντας μικρή ποσότητα ηλεκτρισμού. Σε πολλές περιπτώσεις η Α.Θ. απορροφά θερμότητα από τον αέρα περιβάλλοντος, εδαφικό ή υπόγειο νερό. Το περιβάλλον πολλές φορές μπορεί να έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από 15 C. Οι Α.Θ. συνδυάζονται με συστήματα αερισμού σε ενσωματωμένα συστήματα ανάκτησης θερμότητας ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θερινό κλιματισμό. 12

13 Γιατί Αντλίες θερμότητας? Τα κτήρια συνεχώς γίνονται ποιο οικονομικά λόγω της σημαντικής βελτίωσης της μόνωσης τους αλλά και των εσωτερικών τους εγκαταστάσεων Σε αυτή την περίπτωση οι μονάδες παραγωγής θερμότητας μπορεί να λειτουργήσουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κάτι που κάνει σημαντική την ανάπτυξη των Α.Θ.

14 Άντληση θερμότητας Ψύξη, διάγραμμα SANKEY Θερμό Θερμοδοχείο T h Q 2 Q 2 W Ψ Μ W (έργο) Q 1 Q 1 Ψυχρό Θερμοδοχείο Τ c Q1 W Q2 14

15 Άντληση θερμότητας Ψύξη με απορρόφηση, διάγραμμα SANKEY Θερμό Θερμοδοχείο T h Q 2 Ψ Μ Q T Q 1 Ψυχρό Θερμοδοχείο T c Q1 Q Q2 15

16 Τα βασικά μέρη της αντλίας θερμότητας είναι : Το τμήμα συμπιεστή* -συμπυκνωτή, που απορρίπτει θερμότητα στο περιβάλλον* (ή τον εσωτερικό χώρο). Το τμήμα ανεμιστήρα - ατμοποιητή, που απορροφά θερμότητα από τον εσωτερικό χώρο (ή το περιβάλλον**). Ο μηχανισμός αντιστροφής, που αποτελείται από μια τετράοδη βαλβίδα, η οποία μετατρέπει τον ψυκτικό κύκλο, σε θερμαντικό και αντίστροφα. Οι αυτοματισμοί για τον έλεγχο και λειτουργία του συστήματος θέρμανσης ή ψύξης. και Η συμπληρωματική ηλεκτρική αντίσταση, που αυξάνει τη θερμική απόδοση του συστήματος, όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή. *Συμπιεστής: μηχανικός ή θερμικός **περιβάλλον: ορίζεται ο χώρος απόρριψής της θερμότητας ή απορρόφησής της προς χρήση 16

17 Κύκλος θερμαντλίας (ΑΘ) σε ψύξη Κύκλος θερμαντλίας σε θέρμανση 17

18 Η ιδανική αντλία θερμότητας. Η λειτουργία της αντλίας θερμότητας στηρίζεται στην αρχή λειτουργίας της ψυκτικής μηχανής του Carnot Η πραγματική στου Brayton, Ο ενεργειακός ισολογισμός δίνει: Q1 Q 2 W Η ποιότητα της αντλίας θερμότητας χαρακτηρίζεται από το συντελεστή συμπεριφοράς (επίδοσης) COP Q COPΑΘ (= Coefficient of performance) COP AΘ = 2 W = Q 2 Q Q

19 Λειτουργία της Α.Θ. Ως εκ τούτου η ΑΘ μεταφέρει την θερμότητα από το περιβάλλον σε ένα επίσης θερμοδοχείο που είναι το κτήριο και που οι ανάγκες του είναι σε κάποιο επίπεδο θερμοκρασίας Οι βασικές γνώσεις μας ενημερώνουν ότι η θερμότητα ρέει ακριβώς αντίθετα.. Στις ΑΘ μικρή κατανάλωση έργου επιφέρει αντίστροφη μεταφορά θερμότητας Η αποτελεσματικότητα, ονομάζεται παράγων λειτουργίας ή παράγων πολλαπλασιασμού θερμότητας COP q W out Θερμότητα στον προς θέρμανση χώρο Q out Q in HP Περιβαλλοντική Θερμότητα W Εξωτερικό έργο

20 Διαγράμματα με άεργη εκτόνωση (περιοχή υγρού ατμού) 20

21 Αντλίες Θερμότητας T conden. Θερμό θερμοδοχείο Εύκολα γίνονται δυο παρατηρήσεις για τον παράγοντα ψυκτικής απόδοσης eer hp και το συντελεστή συμπεριφοράς: COP * hp Tsteamer Μηχανικό έργο W Ψυχρό θερμοδοχείο 1.Για την ίδια θερμοκρασιακή διαφορά Τ cond -Τ st ο eer hp και COP * hp βελτιώνεται όσο χαμηλότερης στάθμης είναι η θερμοκρασία Τ cond. 2.Όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά (Τ c -Τ st ) μεταξύ του κλιματιζόμενου και του εξωτερικού χώρου, τόσο μεγαλύτερος είναι ο eer hp και COP * hp. 21

22 Απόδοση Α.Θ. Το πραγματικό COPs της ΑΘ (HP) είναι 50% έως 70% μικρότερο του θεωρητικού, ωστόσο είναι υψηλότερο όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος απορρόφησης θερμότητας! Και χαμηλότερη η θερμοκρασία χρήσης! (απόρριψη θερμότητας) a Θερμότητα Χρήσης Q out (kwh) b Θερμότητα Πηγής W (kwh) Παράδειγμα: COP εμπορικής HP. Πραγματικό COP (= Q out /W) είναι: a) 4,03 και b) 2,25.

23 Απόδοση Α.Θ., θέρος Στην περίπτωση αυτή αντλείται θερμότητα από τον χώρο και απορρίπτεται στο περιβάλλλον Η αποτελεσματικότητα, τώρα ορίζεται από το λόγο της απορροφούμενης από τον χώρο θερμότητας, προς το καταναλισκόμενο έργο, q eer in W Η σχέση που δίδει την απόδοση κατά το θέρος (σε ψύξη) δηλαδή το eer Απορριπτόμενη στο περιβάλλον θερμότητα Q out Q in HP W Μεταφερόμενη θερμότητα από εσωτερικό περιβάλλον (χώρο) Έργο

24 Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. πηγή θερμότητας Ατμοποιητής (Ατμοποιεί σε χαμηλή θερμοκρασία) Αξιοποίηση Θερμότητας Συμπιεστής Συμπιέζει και θερμαίνει το ΨΜ; Απορροφά Ηλεκτρισμό Άεργος Εκτονωτική Βαλβίδα Μειώνει την πίεση και την θερμοκρασία Συμπυκνωτής Το ΨΜ έχει υψηλή θερμοκρασία προς

25 Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. και συσκευές πηγή θερμότητας Ατμοποιητής (Ατμοποιεί σε χαμηλή θερμοκρασία) Αξιοποίηση Θερμότητας Συμπιεστής Συμπιέζει και θερμαίνει το ΨΜ! Απορροφά Ηλεκτρισμό Άεργος Εκτονωτική Βαλβίδα Μειώνει την πίεση και την θερμοκρασία Συμπυκνωτής Το ΨΜ έχει υψηλή θερμοκρασία προς

26 Τεχνικές λύσεις για Α.Θ. και Πιέσεις Θερμοκρασίες Λειτουργίας πηγή θερμότητας Αξιοποίηση Θερμότητας p=1,5 bar t=5 C p=14 bar t=70 C p=1,5 bar t=5 C Υγρό/ Αεριο p=1,5 bar t=0 C p=1,5 bar Τ=0 C Αέριο p=14 bar T=50 C p=14 bar t=55 C p=14 bar t=50 C

27 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με το μέσο από όπου αντλείται και το μέσο όπου αποβάλλεται η θερμότητα, οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται: Αέρα-Αέρα (Α Α) Αέρα-Νερού (Α Ν) Νερού-Νερού (Ν Ν) Νερού-Αέρα (Ν Α) Εδάφους-Αέρα (Ε Α) Εδάφους-Νερού (Ε - Ν) 27

28 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με το είδος της κινητήριας μηχανής, οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται σε 3 κατηγορίες: Ηλεκτροκίνητοι συμπιεστές. Συμπιεστές κινούμενοι από μηχανές εσωτερικής καύσης (πετρέλαιο, ατμός, αέριο κ.λπ.). «Συμπιεστές» απορρόφησης και προσρόφησης (θερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας). 28

29 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με τη θέση των διαφόρων μηχανισμών της αντλίας θερμότητας διακρίνονται δύο κατηγορίες: Ενιαίες ή αυτόνομες (Compact). Όλοι οι μηχανισμοί βρίσκονται σε κοινό κέλυφος, ιμερείς (Split units). Ο ατμοποιητής (ή ο συμπυκνωτής) είναι ανεξάρτητος του υπόλοιπου συστήματος. 29

30 Οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται: Ανάλογα με τον τρόπο αναστροφής της λειτουργίας τους οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Σταθερού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η ροή του ψυκτικού μέσου διατηρείται σταθερή και αλλάζει η θέση των μέσων προσαγωγής ή απαγωγής της θερμότητας. Μεταβλητού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η αναστροφή της ροής του ψυκτικού μέσου γίνεται με χρήση τετράοδης βαλβίδας. 30

31 Αντλίες Θερμότητας Αέρα-Αέρα Νερού-Νερού Αέρα-Νερού 31

32 Αντλίες Θερμότητας Παράδειγμα κύκλου αντλίας θερμότητας με R-12 (κατηργημένο) 32

33 Αντλίες Θερμότητας Οι βαθμοί απόδοσης που υπεισέρχονται στην ενεργειακή μελέτη της ΑΘ του σχήματος είναι: 1. Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης = 2.Συντελεστής COP κύκλου = h h h h h h h h , ,976 3.Ογκομετρικός βαθμός απόδοσης n v = 0,95. Αφορά την ικανότητα του συμπιεστή να αξιοποιεί τον εμβολιζόμενο όγκο του. 4.Μηχανικός βαθμός απόδοσης συμπιεστή: n m = 0,95. 5.Συντελεστής COP (COA) της ΑΘ, είναι ίσος με το γινόμενο του θεωρητικού COP και του βαθμού απόδοσης του συμπιεστή δηλαδή: COP ef = COP th x n m = 2,976. 0,95 = 2,82. Συντελεστής COP * τουθεωρητικούκύκλουcarnot * COP Τ T condenser steamer Τ steamer 15* ,96 33

34 Αντλίες Θερμότητας Οι θερμοκρασίες του R-12* μέσα στο συμπυκνωτή και τον ατμοποιητή είναι αντίστοιχα 73 ο C και 15 o C. Στην πράξη, στις ΑΘ, χρησιμοποιείται ψυκτικό μέσο R-22** σχεδόν σε όλες τις εφαρμογές. Ο συμπυκνωτής θερμαίνει το ρευστό, που κυκλοφορεί έπειτα στον προς θέρμανση χώρο (π.χ. Δωμάτιο, νερό δικτύου θέρμανσης κ.λπ.). Το ρευστό αυτό έχει θερμοκρασία, λ.χ.: T c - ΔΤ C = = 61 o C *R-12: σήμερα R-134a **R-22 : σήμερα R-407c,410a et 34

35 Αντλίες Θερμότητας Ο ατμοποιητής ψύχει τον αέρα του περιβάλλοντος, ο οποίος έχει θερμοκρασία κοντά στον ανεμιστήρα του ατμοποιητή: T st + Τ st = = 23 o C Οι παράμετροι ΔΤ C και ΔΤ st εξαρτώνται βασικά από τις διαστάσεις, την επιφάνεια και την ταχύτητα του ανεμιστήρα (παροχή αέρα ή νερού) του συμπυκνωτή και ατμοποιητή αντίστοιχα. 35

36 ιμερής μονάδα (Split unit) αντλίας θερμότητας Οι μικρές κλιματιστικές μονάδες διμερούς τύπου, είναι οι πλέον διαδεδομένες μονάδες θέρμανσης και ψύξης, για μικρούς, κυρίως, χώρους (π.χ. κατοικίες και μικρούς επαγγελματικούς χώρους). Βασίζονται στην αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας αέρα - αέρα Η κλιματιστική μονάδα αποτελείται από τα εξής βασικά μέρη: Το συμπιεστή Το συμπυκνωτή Τον ατμοποιητή/εξατμιστή και Την τετράοδη βαλβίδα αντιστροφής. 36

37 Αντλίες Θερμότητας Ο κύκλος λειτουργίας κατά το θέρος είναι ο ίδιος με τον κύκλο ψύξης. Το χειμώνα, ο κύκλος αντιστρέφεται και η θερμότητα που το σύστημα αντλεί από το εξωτερικό περιβάλλον (λχ αέρα), αποδίδεται στον εσωτερικό χώρο (αέρα), αφού ο εναλλάκτης που λειτουργούσε σαν ατμοποιητής, λειτουργεί πλέον σαν συμπυκνωτής και ο εναλλάκτης που λειτουργούσε σαν συμπυκνωτής λειτουργεί σαν ατμοποιητής. Με τη χρήση της βαλβίδας αντιστροφής (τετράοδης), η κλιματιστική μονάδα μπορεί να θερμάνει ή να ψύξει τον εσωτερικό χώρο (αέρα), η δε ροή του ψυκτικού μέσα από το συμπιεστή, είναι πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Ο κύκλος λειτουργίας της μονάδας για την ψύξη και για τη θέρμανση, παρουσιάζεται στα παρακάτω σχήματα, αντίστοιχα. 37

38 Αντλίες Θερμότητας ατμοποιητής Περιγραφή του κύκλου λειτουργίας αντλίας θερμότητας κατά το θέρος, για την ψύξη του εσωτερικού αέρα 38

39 Αντλίες Θερμότητας ατμοποιητής Περιγραφή του κύκλου λειτουργίας αντλίας θερμότητας το χειμώνα, για τη θέρμανση του εσωτερικού αέρα. Οι μονάδες διμερούς τύπου διαχωρίζουν τις επιμέρους συσκευές και εξαρτήματα του κυκλώματος σε μια εσωτερική και σε μια εξωτερική μονάδα, οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους με τους 39 δυοσωλήνεςόπουρέειτοψυκτικόρευστό.

40 Αντλία θερμότητας με θέρμανση επιφανείας Η θερμαντλία αντλεί θερμότητα από το έδαφος και θερμαίνει νερό (π.χ. σε 35 C) το οποίο στη συνέχεια κυκλοφορεί μέσα σε επιφανειακό σύστημα θέρμανσης, που ως γνωστό διαχέει τη θερμότητα προς το θερμαινόμενο χώρο εύκολα. Το έδαφος, σαν πηγή θερμότητας, έχει το πλεονέκτημα να διατηρεί ετησίως περίπου σταθερή θερμοκρασία. Αντλία θερμότητας με θέρμανση δαπέδου 40

41 Αντλία θερμότητας και γεωθερμία Το μηχανοστάσιο των αντλιών θερμότητας που θερμαίνουν δύο (2) πολυκατοικίες, αντλεί θερμική ενέργεια από τρεις γεωτρήσεις γεωθερμικού πεδίου. Η γεωθερμική ενέργεια θερμαίνει τον ατμοποιητή του συστήματος των θερμαντλιών. Αντλίες θερμότητας και γεωθερμία 41

42 Αντλία Θερμότητας συζευγμένη με κεντρική θέρμανση Η αντλία θερμότητας έχει συνδεθεί σε σειρά με κεντρική θέρμανση, με σκοπότηθέρμανσητης κατοικίας. Η ΑΘείναι συστήματος αέρα/νερού, λειτουργεί σαν φορτίο βάσης, χωρίς η κεντρική θέρμανση να λειτουργεί Αντλία Θερμότητας δίπλα σε κεντρική θέρμανση 42

43 Πληροφορίες για πηγές θερμότητας που χρησιμοποιούνται συχνότερα Ατμοσφαιρικός αέρας είναι δωρεάν και ευρέως διαθέσιμος. Είναι η πιο κοινή πηγή θερμότητα για αντλίες θερμότητας. Η Α.Θ. αέρα, επιτυγχάνει κατά μέσο όρο 10-30% μικρότερη εποχιακή απόδοση παράγοντα (SPF) από Α.Θ. νερού. Αυτό οφείλεται κυρίως η ταχεία μείωση της χωρητικότητας και της απόδοσης με μειούμενες τις περιβαλλοντικές θερμοκρασίες. Η διαφορά οφείλεται στη σχετικά υψηλή θερμοκρασία του εξαερωτήρα και η ενέργεια που χρειάζεται για τις διατάξεις εξουδετερώσεως του εξαερωτήρα και να λειτουργούν οι ανεμιστήρες. Σε περίπτωση υγρού και ψυχρού κλίματος, Ο~6 C, τότε δημιουργείται πάγος και μειώνεται χαρακτηριστικά η απόδοση Evaporator Ο εξαερισμός, είναι μια κοινή πηγή θερμότητας σε εμπορικά κτήρια εφόσον κατά τη διάρκεια της περιόδου θέρμανσης ή όλο το χρόνο, απαιτείται συνεχής λειτουργία του συστήματος εξαερισμού. Για μεγάλα κτήρια κaι αντλίες θερμότητας αέρα χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με μονάδες ανάκτησης θερμότητας στον αέρα. HP and heat storage

44 Διαστασιολόγηση Α.Θ. HP για DHW Πηγή θερμότητας: Ατμοσφαιρικός Αέρας Θερμική Ισχύς: 2kW έως 15 kw COP: ~ 4 Λειτουργία: όλοτοέτος Εναλλακτικά συστήματα: Συνδυασμός με ηλιακή θερμική σύστημα θέρμανσης, και συνδυασμός με σύστημα εξαερισμού

45 Οικονομική ανάλυση αντλίας θερμότητας Εφαρμογή: Το κόστος αγοράς αερίου καυσίμου είναι 1,2 /kg, θερμογόνου δυνάμεως Ηu= kj/kg και το δε κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι 0,18 /kwh έως 0,25 /kwh. Εάν ο συντελεστής πολλαπλασιασμού της αντλίας θερμότητας, κινούμενης από ηλεκτροκινητήρα, είναι COP =3, να συγκριθεί το κόστος λειτουργίας αυτής με μία εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης που χρησιμοποιεί το παραπάνω αέριο καύσιμο και παρουσιάζει βαθμό απόδοσης 0,90. Απάντηση: Θυμίζω, ότι 1kWh (=861,24 kcal) =3600kJ. Ονομάζεται περίπτωση (α) η θέρμανση της κατοικίας με αέριο και περίπτωση (β) η θέρμανσημεαντλίαθερμότητας: Περίπτωση (α): Το κόστος της καταναλισκόμενης ενέργειας είναι: P1 1,2 3 c 10,67 10 n Hu 0, kwh 3600 kwh όπου:ρ 1 = το κόστος του αερίου, /kg n = οβαθμόςαπόδοσηςτηςκαύσης Ηu= η θερμογόνος δύναμη του αερίου, kj/kg 45

46 Περίπτωση β: Το κόστος της καταναλισκόμενης ενέργειας είναι: P2 0,18 3 c 6,0 10 COP 3 kwh kwh P2 0,25 3 c 8,3 10 COP 3 kwh kwh όπου: Ρ 2 = το κόστος της ηλεκτρικής kwh σε./kwh COP ΑΘ = ο συντελεστής πολλαπλασιασμού της ΑΘ. Συμπέρασμα: Είναι προφανές ότι η ΑΘ κάνει εξοικονόμηση χρημάτων από 43% έως 22% περίπου. 46

47 Evaporative Condenser Όταν συνδυαστεί άμεσα ο συμπυκνωτής με πύργο ψύξης τότε δημιουργείται ο συμπυκνωτής με εξάτμιση. Το ψυκτικό ρευστό υγροποιείται μέσα στους σωλήνες του στοιχείου συμπύκνωσης το εξωτερικό του οποίου διατηρείται συνεχώς υγρό με τη βοήθεια εκτοξευόμενου νερού που επανακυκλοφορεί. Η θερμότητα συμπύκνωσης αποβάλλεται με μορφή αισθητού και λανθάνοντος φορτίου στον αέρα. Η ικανότητα συμπύκνωσης σε συμπυκνωτές αυτού του είδους μπορεί να μεταβληθεί, με μεταβολή της θερμοκρασίας υγρού βολβού του εισερχόμενου αέρα ή με μεταβολή της θερμοκρασίας συμπύκνωσης. Σ αυτή τη περίπτωση η θερμοκρασία συμπύκνωσης κυμαίνεται μεταξύ o C. (από o C) 47

48 Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι ένα τυπικό μίγμα ξηρού αέρα και νερού. Η μερική πίεση του νερού στο μίγμα στην μέγιστή της τιμή ονομάζεται πίεση κορεσμού(p sat ). Οεσωτερικόςαέρας, αλλά και ο εξωτερικός πολλάκις δεν είναι κορεσμένος. Ως εκ τούτου, το νερό είναι σε πίεση μικρότερη από τον κορεσμό και ίση με pi. Σχετική υγρασία είναι η σχέση: φ P i Psat *100% Ως απόλυτη υγρασία xορίζεται η κατά μάζα αναλογία νερού και ξηρού αέρα: x kgw kgda

49 Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Η εξάτμιση νερού στον αέρα, δημιουργεί μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας και οδηγεί σε ισοδύναμες ευθείες τις ισοθερμοκρασιακές υγρού βολβού Η θερμοδυναμική κατάσταση του αέρα μπορεί να παρουσιαστεί σε διάγραμμα Mollier T-x ή όπου εμφανίζονται τα αριθμητικά στοιχεία ψυχομετρικών μεγεθών. Η εξατμιστική ψύξη επιτυγχάνεται υπό σταθερή ενεργειακή κατάσταση του αέρα(h = cont).

50 Εξατμιστική Ψύξη, φαινόμενο Παράδειγμα: Εάν 4 γραμμάρια νερού εξατμισθούν σε 1 kg ακόρεστου αέρα που έχει θερμοκρασία T 1 29 C και σχετική υγρασία 1 30%, τότε η θερμοκρασία του μεταβάλλεται? x Σε: T 2 19 C

51 Evaporative Condenser - Refrigeration Προσέγγιση θερμοκρασίας κατά την εξατμιστική ψύξη Στην περίπτωση της εξατμιστικής ψύξης η προσέγγιση των συνθηκών λειτουργίας ορίζεται από την επιτυγχανόμενη προσέγγιση της θερμοκρασίας στο όριο της θερμοκρασίας υγρού βολβού. Αυτό, κατά την θερινή βεβαίως περίοδο, επιφέρει μείωση των απαιτήσεων τόσο σε επίπεδο πίεσης λειτουργίας της ψυκτικής διάταξης όσο και σε επίπεδο μέγιστων θερμοκρασιών. 51

52 Evaporative Condenser - Refrigeration 17,5bar 5bar 11,5bar dp be f dp after dh bef,st dh after,st dh bef,c dh after,c Επίδραση της εξάτμισης στον Συμπυκνωτή 52

53 Evaporative Condenser Refrigeration Air Conditioning Σύστημα εξατμιστικής ψύξης 53

54 Συσκευές Εξατμιστικής ψύξης, άμεσης!? Δίπλα σε φυτά ή με συσκευές εξάτμισης ο αέρας μπορεί να ψύχεται σημαντικά. Βεβαίως πρέπει να εξασφαλισθεί η πλήρης εξάτμιση του αέρα

55 Συσκευές Εξατμιστικής ψύξης Μονάδα χειρισμού αέρα με ολοκληρωμένη εξάτμιση νερού ψύξης απεικονίζεται στο σχήμα (Εταιρεία Menerga) Η Απόδοση ψύξης λόγω εξάτμισης εξαρτάται κυρίως από το τοπικό κλίμα (και τη παροχή αέρα), το μέγεθος του εναλλάκτη θερμότητας και την απόδοση του υγραντή (humidifier).

56 Αυτή η τεχνική της διατήρησης της ενέργειας ήδη είναι υποχρεωτική, και ορισμένες χώρες Ηνωμένες Πολιτείες, Αποδόσεις Εξατμιστικής Ψύξης Συνολική αποτελεσματικότητα της εξατμιστικής ψύξης παρουσιάζεται στο γράφημα για μια θέση με ένα ήπιο θέρος. Συνάγεται ότι η εξατμιστική ψύξη είναι πιο αποτελεσματική κατά την πιο καυτή περίοδο του έτους. Αυτό είναι ένα τέλειο για το «ξύρισμα αιχμής» της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν. Ως εκ τούτου, η εξατμιστική ψύξη πρέπει να χρησιμοποιείται κάθε φορά αν είναι κατάλληλες κλιματικές συνθήκες.

57 Συσκευές Ηλιακής Ψύξης θερμικά ηλιακά συστήματα που αναβαθμίζονται σε συστήματα που χρήση/μετατρέπει θερμική ενέργεια σε ψυκτική. Τεχνολογίες και εφαρμογές για την ψύξη/air-κλιματισμού των κτηρίων. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνολογίες ενεργοποίηση για ηλιακή ψύξη: 1. ΦΒ Συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θερμοηλεκτρική ψύξη, κύκλο Stirling ή ακόμη και συμπιεστή μηχανική ψύξης, 2. Θερμικά Ηλιακά συστήματα, Απορρόφησης Προσρόφησης που μετατρέπουν άμεσα την Ηλιακή ενέργεια (θερμική) σε ψυκτικό αποτέλεσμα.

58 Συσκευές Ηλιακής Ψύξης Η Ηλιακή ψύξη βελτιώνει την αειφορία του κτηρίου διότι: επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση και κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας και τη μείωση των εκπομπών CO 2! μειώνει τα φορτία Αιχμής peak shaving για την παραγωγή ηλεκτρισμού! Ενεργοποίηση της συνδυασμένης χρήσης της ηλιακής θέρμανσης, ψύξης και ζεστού νερού χρήσης που βελτιώνει όλο το έτος την αποδοτικότητα των θερμικών ηλιακών συστημάτων και αυξάνει την οικονομία των ηλιακών συστημάτων! Poraba toplote in delež solarnih ogrevalnih sistemov heating solar irradiation χαμηλότερη εκπομπή θορύβου.! solar assisted cooling DHW heating DHW + heating heating with seasonal heat storage

59 Ηλιακά επικουρούμενη ψύξη γενικές αρχές «Ανοικτού κύκλου» ηλιακών ενισχυόμενες με αέρα ψύξης - προσφορά άμεσα ψύχεται και αφυγραίνεται (dehumidified) και μονάδα διαχείρισης αέρα (AHU). «Κλειστού κύκλου» ηλιακή επικουρείται, διατηρημένα με απλή ψύξη νερό ψύξεως (5-10 C) που παράγονται σε και να μεταφερθούν στις αποκεντρωμένες μονάδες όπως τα fan-coils ή AHU Οι τεχνολογίες για την εκμετάλλευση της θερμότητας από το θερμικό ηλιακό σύστημα, διαφέρουν όσον αφορά το επίπεδο θερμοκρασίας της ηλιακής θερμότητας 50 έως 60 C και την περίπτωση του ανοιχτού κύκλου και 80 έως 95 C (+) και στην περίπτωση του κλειστού κύκλου.

60 θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Ανοιχτός κύκλος ηλιακή ψύξη καλείται μια αποξηραντικήεξατμιστική ψύξη (DEC) λόγω του ότι αυτή η διαδοχικότητα επιφέρει θερμοδυναμική μεταβολή στην κατάσταση του αέρα. Οι διαδικασίες είναι ύγρανση και αφύγρανση του αέρα.

61 θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Κατά τη διάρκεια της ύγρανσης, εξατμίζεται νερό. Συνεπώς ο αέρας ψύχεται, αλλά προκαλεί αύξηση της υγρασίας. Αυτού του είδους φυσική ψύξη είναι πολύ αποτελεσματική, εάν η υγρασία του αέρα είναι χαμηλή. Αναστρέψιμη διαδικασία, που ονομάζεται -ρόφησης, αφύγρανση του αέρα μειώνει την απόλυτη υγρασία αέρα, εν τω μεταξύ, η θερμοκρασίατου αέρα αυξάνεται. Υλικό Ρόφησης μπορεί να είναι στερεό (π.χ. silicagel) ή υγρό (LiBr).

62 θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Μια πλήρης διαδικασία 5-6: ψύξη του εσωτερικού αέρα με ένα υγραντή 6-7: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με απόρριψη εσωτερικού αέρα 8-9: θέρμανση του αέρα με ηλιακούς συλλεκτες 9-10: Αφύγρανση του εναλλάκτη -ρόφησης με ζεστό αέρα από ηλιακούς συλλέκτες 4: παροχή αέρα στο κτήριο 5: αφύγρανση του εσωτερικού αέρα 1-2: Αφύγρανση του αέρα εφοδιασμού και ρόφηση εναλλάκτη (νωπού αέρα) 2-3: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με απορριπτόμενο εσωτερικό αέρα και εναλλάκτη 3-4: ψύξη του αέρα τροφοδότησης με ύγρανση

63 Θερμοδυναμικοί και Ψυκτικοί κύκλοι ΨΥΞΗ ΜΕ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Διάταξη κλιματιστικής συσκευής LiBr/H 2 O λειτουργία με Ηλιακή Ενέργεια ΑΤΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ Νερό - Διάλυμα Βρωμιούχου Λιθίου (Η 2 O/LiBr) Ψυκτικόμέσοείναι το νερό και μέσο απορρόφησης το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου. ΝΤΛΙΑ Q AT ΒΑΛΒΙΔΑ ΣΤΡΑΓΓΑΛΙΣΜΟΥ Q Α ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΣ Q Σ Q Ψ ΑΤΜΟΠΟΙΗΤΗΣ ΒΑΛΒΙΔΑ ΣΤΡΑΓΓΑΛΙΣΜΟΥ

64 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Απορρόφηση Το σύστημα ψύξης απορρόφησης. Η θερμότητα στη «γεννήτρια» πρέπει να παρέχεται από συστοιχία ηλιακών συλλεκτών. (York) Αραιό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου συλλέγεται στο κάτω μέρος του κελύφους, δεξαμενή απορρόφησης. Από εδώ, ερμητικού τύπου αντλία το κυκλοφορεί από το κέλυφος και μέσω σωλήνα εναλλάκτη θερμότητας για προθέρμανση.

65 Ζεστόνερόαπότουςηλιακούς συλλέκτες μεταφέρει θερμότητα στο χώρο συγκέντρωσης διαλύματος αραιού βρωμιούχου λιθίου. Το διάλυμα βράζει, εκρέοντας ατμούς ψυκτικού μέσου (νερό) προς τα επάνω σε ψυκτήρα και αφήνοντας πίσω το συμπυκνωμένο βρωμιούχο λίθιο. Το συμπυκνωμένο διάλυμα βρωμιούχου λιθίου μετακινείται προς τα κάτω στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου ψύχεται και οδηγείται προς την γεννήτρια. Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Απορρόφηση Μετά την έξοδο του εναλλάκτη θερμότητας, το αραιό διάλυμα εκρέει στοτοεπάνωμέροςτουκελύφους. Όπου περιβάλλει ένα δέμα από θερμούς σωλήνες που θερμαίνονται είτε ατμού ή με θερμό νερό. 1

66 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Απορρόφηση Το ψυκτικό μέσο συμπυκνώνεται από μια δέσμη σωλήνων ψυκτήρας. Η θερμότητα που έχει παραλαμβάνεται από το νερό ψύξης. Συμπυκνωμένη ψυκτικού μέσου συλλέγεται στο κάτω μέρος του ψυκτήρα. Ψυκτικό υγρό ρέει από τον ψυκτήρα και το επάνω κέλυφος προς τα κάτω στον εξαερωτήρα και στο χαμηλότερο σημείο του κελύφους όπου ψεκάζεται πάνω από τη δέσμη σωλήνων του εξατμιστή. 2 Λόγω του κενού στο χαμηλότερο μέρος του κελύφους (επικρατεί απόλυτη πίεση 0,8 kpa) το ψυκτικό υγρό αρχίζει να βράζει σε θερμοκρασία ~ 4 C, δημιουργώντας το ψυκτικό αποτέλεσμα. Το κενό που δημιουργείται από το βρωμιούχο λίθιο απορροφά το ατμοποιηθέν ψυκτικό νερό.

67 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Απορρόφηση Όπως το ψυκτικό μέσο (ατμός) οδηγείται στη φιάλη απορρόφησης του εξαερωτήρα, το ισχυρό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου από τη γεννήτρια ψεκάζεται από την κορυφή της φιάλης απόρρόφησης. Το ισχυρό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου τραβάει τον ατμό ψυκτικού μέσου, δημιουργώντας κενό στον εξαερωτήρα. Κατά την απορρόφηση του ψυκτικού ατμού από το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου επίσης παράγεται θερμότητα, η οποία απορροφάται από το νερό ψύξης. 3 Το αραιό διάλυμα βρωμιούχου λιθίου συλλέγεται στο κάτω μέρος του κελύφους, όπου ρέει προς τα κάτω, στην αντλία διαλύματος. Έτσι ολοκληρώνεται ο κύκλος ψύξης και η

68 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Απορρόφηση Αντί του κύκλου απορρόφησης περιγράφεται ένα βήμα, δύο σταδίων, για πιο αποτελεσματική, ψύξη με απορρόφηση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί 1 3 Το αρκετά πολύπλοκο καθεστώς των ψυκτών -ρόφηση; μπορούν να απλοποιηθούν όπως αυτό: 2 Ψύκτες απορρόφησης με ψυκτική ισχύ μεταξύ των 5 kw έως 10 MW, με σημαντικό μερίδιο της αγοράς. Συμπεριλαμβάνει δύο μονάδες ψύξης ισχύος 5 και 15 kw.

69 Η θερμοδυναμική της Ηλιακής ψύξης Προσρόφηση Αντί για απορροφητικό υγρό, στερεά υλικάμπορείναχρησιμοποιηθούν στην περίπτωση της ψύξης προσρόφησης. Σε αυτή την περίπτωση το υλικό ρόφησης και το ψυκτικό μέσο συνεργάζονται ενώ τοψυκτικόμέσοαπελευθερώνεται ανάλογα με θερμική ισχύ εισόδου. Για συνεχή λειτουργία απαιτούνται τουλάχιστον δύο διαμερίσματα υλικών επιτρέποντας συνθήκες αναγέννησης του προσροφητικού υλικού. Και οι περισσότερες περιπτώσεις το νερό χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο και silica gel ή zeolithes ως προσροφητικό υλικό Two small adsorption chillers with cooling power 7,5 and 70 kw Συγκριτικά με τους Ψύκτες απορρόφησης, η προσρόφησηεκτελείται με χαμηλότερες θερμοκρασίες οδήγησης

70 Αποτελεσματικότητα Ηλιακής ψύξης Η απόδοση ων συστημάτων ηλιακής ψύξης εκφράζονται από το «συντελεστή απόδοση» eer. Αυτή είναι η αναλογία μεταξύ του ψυκτικού αποτελέσματος και του ποσού της θερμότητας από την απαραίτητη για την λειτουργία κατά την ίδια χρονική περίοδο Η αποτελεσματικότητα της ηλιακής ψύξης εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση του εξωτερικού και εσωτερικού αέρα και την απόδοση των ηλιακών συλλεκτών. Θα πρέπει να υπολογιστεί για κάθε ώρα. eer = Q c / Q h,solar

71 Energy & Environment Laboratory of CIT Refrigeration Provision Air Conditioning & Alternative Energy Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας Prof. Μ. Gr. Vrachopoulos 71