ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΤΟΙΚΙΩΝ ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: Καθ. Α. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΤΟΙΚΙΩΝ ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ ΜΑΡΙΟΣ ΑΕΜ.: 4340 Αριθμ. εργασίας: ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Επ. Καθηγητής Κ. Τ. Παπακώστας ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2013

2 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Επικ. Καθηγητής Κ.Τ. ΠΑΠΑΚΩΣΤΑΣ 7. Τίτλος Εργασίας: 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ Αρμόδιος Παρακολούθησης: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΤΟΙΚΙΩΝ ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: 9. Αριθμός Μητρώου: ΓΕΡΑΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ ΜΑΡΙΟΣ Θεματική 11. Ημερ. Έναρξης: 12. Ημερ. Παράδοσης: 13. Αριθμός Εργασίας Περιοχή: ΘΕΡΜΑΝΣΗ, ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ 14. Περίληψη: 15. Στοιχεία Εργασίας Το κόστος θέρμανσης είναι ένας από τους βασικότερους παράγοντες στην επιλογή ενός συστήματος θέρμανσης. Βραχυπρόθεσμα, το κόστος θέρμανσης εξαρτάται κυρίως από το κόστος της εγκατάστασης ενώ μακροπρόθεσμα εξαρτάται κυρίως από το κόστος λειτουργίας και ιδιαίτερα από το κόστος του καυσίμου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να συγκρίνει το κόστος λειτουργίας διαφόρων συστημάτων θέρμανσης. Για την εξαγωγή συμπερασμάτων εφαρμόστηκε μία ενεργειακή και οικονομική ανάλυση, η οποία βασίστηκε σε αξιόπιστες μεθόδους, σε ένα τυπικό κτήριο κατοικιών στη Θεσσαλονίκη.. Αρ. Σελίδων:163 Αρ. Εικόνων: 80 Αρ. Διαγραμμάτων: - Αρ. Πινάκων: 81 Αρ. Παραρτημάτων: 1 Αρ. Παραπομπών: 29 Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη θέρμανση και αναφέρονται τα χαρακτηριστικά που πρέπει να εξασφαλίζει ένα σύστημα θέρμανσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα συστήματα τοπικής και κεντρικής θέρμανσης και δίνονται τα χαρακτηριστικά τους. 16. Λέξεις Κλειδιά: Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πιο διαδεδομένα συστήματα Θέρμανση παραγωγής θερμότητας, τα κυριότερα πλεονεκτηματα και μειονεκτήματα κτιρίων τους, όπως επίσης και τα καύσιμα που χρησιμοποιούν. Κατανάλωση Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται το κτήριο, τα δομικά στοιχεία, οι συντελεστές θερμοπερατότητας τους και ο τρόπος θερμομόνωσης. Επίσης ενέργειας σε υπολογίζονται τα θερμικά φορτία του κτηρίου. κτίρια Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού της ενεργειακής Μέθοδος κατανάλωσης ενός συστήματος θέρμανσης με την μέθοδο βαθμοημερών βαθμοημερών μεταβλητής βάσης και με την μέθοδο συχνοτήτων θερμοκρασιών. μεταβλητής Επιλέγονται αντλίες θερμότητας για την θέρμανση του κτηρίου και βάσης παρατίθενται τα αποτελέσματα των υπολογισμών και με τις δυο μεθόδους. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση των συστημάτων θέρμανσης Bin method λαμβάνοντας υπ όψιν τον βαθμό απόδοσης, το κόστος του καυσίμου και το κόστος λειτουργίας των παρελκόμενων συσκευών του κάθε συστήματος. 17. Σχόλια Υπολογίζεται το ετήσιο κόστος λειτουργίας κάθε συστήματος για τη θέρμανση του κτιρίου και ενός διαμερίσματος. Στο έβδομο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα της σύγκρισης του κόστους λειτουργίας των συστημάτων θέρμανσης που εξετάστηκαν. 18. Συμπληρωματικές Παρατηρήσεις: 19. Βαθμός

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι πρόσφατες οικονομικές συνθήκες κάνουν την αναζήτηση οικονομικής θέρμανσης πιο επίκαιρη από ποτέ. Η κεντρική θέρμανση με λέβητα πετρελαίου είναι το πλέον διαδεδομένο σύστημα θέρμανσης στην Ελλάδα. Η σημαντική όμως αύξηση της τιμής του πετρελαίου, καθιστά αυτήν την επιλογή οικονομικά ασύμφορη στην μέση ελληνική οικογένεια και δημιουργεί μια τάση προς εναλλακτικά συστήματα θέρμανσης. Αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση πολλών εταιριών που προσφέρουν ποικίλες προτάσεις και προϊόντα, παρουσιάζοντας τα η καθεμία, ως την καλύτερη και οικονομικότερη λύση. Το κόστος θέρμανσης είναι ένας από τους βασικότερους παράγοντες στην επιλογή ενός συστήματος θέρμανσης. Βραχυπρόθεσμα, το κόστος θέρμανσης εξαρτάται κυρίως από το κόστος της εγκατάστασης ενώ μακροπρόθεσμα εξαρτάται κυρίως από το κόστος λειτουργίας και ιδιαίτερα από το κόστος του καυσίμου. Η ποσότητα του καυσίμου που θα χρειαστεί για τη θέρμανση ενός συγκεκριμένου χώρου εξαρτάται από την απαιτουμένη θερμότητα και από το βαθμό απόδοσης του συστήματος. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να κάνει μια εμπεριστατωμένη και επιστημονικά τεκμηριωμένη ανάλυση των συστημάτων θέρμανσης και να μελετήσει την εφαρμογή τους σε ένα τυπικό κτήριο κατοικιών συγκρίνοντας τα ενεργειακά, αλλά και οικονομικά. Η ανάλυση έγινε για τη περιοχή της Θεσσαλονίκης αλλά τα αποτελέσματα μπορούν να αποτελέσουν οδηγό και για άλλες περιοχές της Ελλάδας. Βέβαια υπάρχουν συστήματα, όπως αυτά με αντλίες θερμότητας, των οποίων ο βαθμός απόδοσης επηρεάζεται από το κλίμα κάθε περιοχής και ιδιαίτερα από τη διακύμανση της εξωτερικής θερμοκρασίας. Μόνο μια εμπεριστατωμένη ανάλυση για όλες τις κλιματολογικές ζώνες της Ελλάδας και για διάφορες πόλεις μπορεί να δώσει ακριβή αποτελέσματα. Στην ανάλυση, πέρα από το κόστος καυσίμων και το βαθμό απόδοσης κάθε συστήματος, λήφθηκε υπόψη και το κόστος λειτουργίας του δευτερεύοντος εξοπλισμού κάθε συστήματος και συγκεκριμένα των αντλιών κυκλοφορίας του νερού, με την ακρίβεια που επιτρέπουν οι μέθοδοι οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν. Επίσης στα συστήματα με αντλίες θερμότητας με πηγή θερμότητας τον αέρα, λήφθηκε υπόψη η επίδραση που έχουν στον συντελεστή αποδοτικότητας η αποπάγωση και η συνεχής έναυση/παύση των αντλιών θερμότητας. Εξετάστηκαν κεντρικά συστήματα θέρμανσης (τα οποία μπορούν να έχουν αυτονομία σε κάθε χρήστη) όπως με λέβητα πετρελαίου, με λέβητα φυσικού αερίου, με λέβητα φυσικού αερίου συμπύκνωσης, με λέβητα pellet, με αντλία θερμότητας αέρα-νερού (χαμηλών θερμοκρασιών), με αντλία θερμότητας εδάφους-νερού και με αντλία θερμότητας αέρα-νερού σε συνδυασμό με λέβητα.

4 Επίσης εξετάστηκαν και αυτόνομα συστήματα θέρμανσης όπως με λέβητα φυσικού αερίου, με λέβητα φυσικού αερίου συμπύκνωσης, με τοπικά ηλεκτρικά σώματα, με τοπικα κλιματιστικά και με αντλία θερμότητας αέρα-νερού (χαμηλών θερμοκρασιών). Περιγραφή κεφαλαίων : Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στη θέρμανση και αναφέρονται τα χαρακτηριστικά που πρέπει να εξασφαλίζει ένα σύστημα θέρμανσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα συστήματα τοπικής και κεντρικής θέρμανσης και δίνονται τα χαρακτηριστικά τους. Επίσης αναλύεται η λειτουργία και τα επιμέρους μέρη ενός συστήματος κεντρικής θέρμανσης με κυκλοφορία θερμού νερού. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πιο διαδεδομένα συστήματα παραγωγής θερμότητας, τα κυριότερα πλεονεκτηματα και μειονεκτήματά τους, όπως επίσης και τα καύσιμα που χρησιμοποιούν. Δίνεται έμφαση στις αντλίες θερμότητας και αναλύονται οι τρόποι εφαρμογής τους σε συστήματα θέρμανσης κτιρίων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται το κτήριο, τα δομικά στοιχεία, οι συντελεστές θερμοπερατότητας τους και ο τρόπος θερμομόνωσης. Επίσης υπολογίζονται τα θερμικά φορτία του κτηρίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού της ενεργειακής κατανάλωσης ενός συστήματος θέρμανσης με την μέθοδο βαθμοημερών μεταβλητής βάσης και με την μέθοδο συχνοτήτων θερμοκρασιών. Επίσης επιλέγονται αντλίες θερμότητας για την θέρμανση του κτηρίου και παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος παρατίθενται τα αποτελέσματα των υπολογισμών και με τις δυο μεθόδους. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση των συστημάτων θέρμανσης λαμβάνοντας υπ όψιν τον βαθμό απόδοσης, το κόστος του καυσίμου και το κόστος λειτουργίας των παρελκόμενων συσκευών του κάθε συστήματος. Υπολογίζεται το ετήσιο κόστος λειτουργίας κάθε συστήματος για τη θέρμανση του κτιρίου και ενός διαμερίσματος. Στο έβδομο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα της σύγκρισης του κόστους λειτουργίας των συστημάτων θέρμανσης. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επίκουρο καθηγητή του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ κ. Κωνσταντίνο Παπακώστα, για την ιδέα της διπλωματικής εργασίας καθώς και για την συνεργασία και την πολύτιμη βοήθειά του στην εκπόνηση και περάτωσή της. Μάριος Γερασιμόπουλος, Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2013

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ Κατάταξη των συστημάτων θέρμανσης Μηχανισμοί απόδοσης θερμότητας Τοπική θέρμανση Τζάκι ανοιχτής εστίας Ενεργειακά Τζάκια i Τζάκι αερόθερμο ii Τζάκι με εναλλαχτώ αέρα-αέρα iii Τζάκι με εναλλάκτη αέρα-νερού Θερμάστρες i Θερμάστρα ξύλων ii Θερμάστρα Pellet νερού iii Θερμάστρα Pellet αέρα Ηλεκτρική θέρμανση i Θερμαντικά σώματα υπέρυθρης ακτινοβολίας ii Θερμοπομποί iii Ηλεκτρικοί θερμοσυσσωρευτές Τοπικά κλιματιστικά (split units) Κεντρική θέρμανση Βασική διάταξη συστήματος κεντρικής θέρμανσης με κυκλοφορία θερμού νερού Συστήματα κεντρικής θέρμανσης Κεντρική θέρμανση θερμού νερού με διάφορους τύπους θερμαντικών σωμάτων i Μονοσωλήνιο σύστημα ii Δισωλήνιο σύστημα. 17

6 2.5.2 Eνδοδαπέδια κεντρική θέρμανση Κεντρική θέρμανση θερμού νερού με τοπικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου (fan-coil units) Κεντρική θέρμανση με θερμό αέρα Κεντρική θέρμανση με αντλίες θερμότητας Ηλιακή θέρμανση ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Θέρμανση με λέβητα πετρελαίου Θέρμανση με λέβητα φυσικού αεριού Θερμογόνος δύναμη φυσικού αεριού Ρύποι από την καύση του φυσικού αεριού Προμήθεια φυσικού αερίου Θέρμανση με λέβητα Pellet Θέρμανση με αντλίες θερμότητας Τύποι Συστημάτων με Αντλίες Θερμότητας Συστήματα με πηγή τον αέρα i Αντλίες θερμότητας αέρα-αέρα ii Αντλίες θερμότητας αέρα-νερού Συστήματα γεωθερμίας i Αντλίες θερμότητας νερού-αέρα ii Αντλίες θερμότητας νερού- νερού iii Αντλίες θερμότητας εδάφους-νερού iv Αντλίες θερμότητας εδάφους- αέρα Αντλίες θερμότητας ανάλογα με την κατασκευή και το μέγεθος Αντλίες θερμότητας σε συστήματα θέρμανσης κτιρίων Απλά συστήματα με αντλία θερμότητας (Monovalent systems) Συνδυασμένα συστήματα με αντλία θερμότητας (Βivalent systems) ΚΤΗΡΙΟ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ Περιγραφή του κτηρίου 53

7 4.2 Δομικά στοιχεία Υ Θερμομόνωση του κτηρίου Υπολογισμός του μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας του κτηρίου Km Υπολογισμός των θερμικών φορτίων του κτηρίου κατά ΕΛΟΤ ΕΝ ISO Γενικά Σύμβολα και μονάδες Δείκτες Μεθοδολογία υπολογισμού Εφαρμογή της μεθόδου κατά ΕΛΟΤ EΝ ISO ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ Γενικά Μέθοδος βαθμοημερών μεταβλητής βάσης (variable base degree day method) Υπολογισμός της ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση Εσωτερικά θερμικά κέρδη σε κτίρια i Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ανθρώπους, Qocc,sen ii Εσωτερικά θερμικά κέρδη από συσκευές, Qequ,sen iii Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ηλεκτροφωτισμό, Qlit Ηλιακά κέρδη σε κτίρια κατοικιών Συνολικά θερμικά κέρδη σε κτίρια Βαθμοημέρες θέρμανσης για την περιοχή της Θεσσαλονίκης Αποτελέσματα του υπολογισμών Mέθοδος συχνοτήτων θερμοκρασιών (Bin Method) Τα βήματα του υπολογισμού Επιλογή αντλιών θερμότητας Τεχνικά χαρακτηριστικά επιλεγμένων αντλιών θερμότητας για σύστημα κεντρικής θέρμανσης i Α.Θ. αέρα-νερού Carrier AF ii Α.Θ. αέρα-νερού Rhoss THAIY iii Α.Θ. αέρα-νερού Dimplex LA 60TU 106

8 5.4.1.iv Α.Θ. εδάφους-νερού Rhoss THHE Τεχνικά χαρακτηριστικά επιλεγμένων αντλιών θερμότητας για συνδυασμένο σύστημα κεντρικής θέρμανσης Α.Θ. Λέβητα i Α.Θ. αέρα-νερού Carrier AF ii Α.Θ. αέρα-νερού Rhoss THHEY iii Α.Θ. αέρα-νερού Dimplex LA 25TU Τεχνικά χαρακτηριστικά επιλεγμένων αντλιών θερμότητας για αυτόνομο σύστημα θέρμανσης i Α.Θ. αέρα-νερού Rhoss THAE ii Α.Θ. αέρα-νερού Dimplex LA 17TU Τεχνικά χαρακτηριστικά επιλεγμένων τοπικών κλιματιστικών για αυτόνομο σύστημα θέρμανσης i Τοπικα κλιματιστικά Rhoss Artemio Fly R410A Υπολογισμός ενεργειακής κατανάλωσης των αντλιών θερμότητας Ενεργειακή κατανάλωση Α.Θ. για σύστημα κεντρικής θέρμανσης Ενεργειακή κατανάλωση Α.Θ. σε συνδυασμένο σύστημα θέρμανσης Α.Θ.- Λέβητα Ενεργειακή κατανάλωση Α.Θ. για αυτόνομο σύστημα θέρμανσης σε κάθε διαμέρισμα ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.130 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. 135

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η θέρμανση της κατοικίας του ανθρώπου είναι μια πρωταρχική ανάγκη για την επιβίωση και την άνεση του από τα αρχαία κιόλας χρόνια. Ο άνθρωπος θέλει να εξασφαλίζει, κυρίως τους χειμερινούς μήνες την άνετη διαβίωση στην κατοικία του αντισταθμίζοντας τις θερμικές απώλειες με ένα σύστημα θέρμανσης το όποιο του προσφέρει την επιθυμητή θερμική άνεση. Από την απλή εστία φωτιάς που είχε ο αρχαίος άνθρωπος για να ζεσταίνει την κατοικία του, έχει φτάσει με την πάροδο του χρόνου, την ανάπτυξη της τεχνολογίας και του πολιτισμού να διαθέτει ποικίλα και εξελιγμένα συστήματα θέρμανσης, τα όποια μπορούν πλέον να του προσφέρουν ένα άριστο περιβάλλον θερμικής άνεσης και γενικότερα ευεξίας. Ως προορισμός της θέρμανσης χαρακτηρίζεται συνήθως η θέρμανση τωv χώρων παραμονής του ανθρώπου το χειμώνα. [1] Ακριβέστερα όμως, ο προορισμός της θέρμανσης είναι να ρυθμίζει με τέτοιο τρόπο την απαγωγή της θερμότητας από τον άνθρωπο τις ψυχρές εποχές, θερμαίνοντας το περιβάλλον του, ώστε να δημιουργείται ισορροπία μεταξύ παραγωγής και απαγωγής θερμότητας και να αισθάνεται ο άνθρωπος θερμοφυσιολογικά ευχάριστα. Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ευεξία είναι εκτός από την ενδυμασία, κυρίως η θερμοκρασία του αέρα, η μέση θερμοκρασία των τοίχων, η υγρασία του αέρα, η ταχύτητα κίνησής του και η καθαρότητά του. Η θέρμανση επηρεάζει δύο μόνο από τους πέντε αυτούς παράγοντες, τη θερμοκρασία δηλαδή του αέρα και τη μέση θερμοκρασία των τοιχωμάτων που περιβάλλουν το χώρο. Η μέση τιμή των δύο αυτών θερμοκρασιών χαρακτηρίζεται με τον όρο αισθητή ή λειτουργική θερμοκρασία. Οι άλλοι παράγοντες ευεξίας επηρεάζονται μόνο από τις εγκαταστάσεις κλιματισμού, οι οποίες θεωρούνται και οι τελειότερες για την παραγωγή ενός άνετου κλίματος σε ένα χώρο. Ένα σύστημα θέρμανσης πρέπει να εξασφαλίζει τα εξής: 1) η αισθητή θερμοκρασία στο θερμαινόμενο χώρο πρέπει να είναι κατά το δυνατόν ομοιόμορφη και κατά την κατακόρυφη και κατά την οριζόντια διεύθυνση, περίπου 20 έως 23 C, με μία απόκλιση περίπου ±1 C. Στην περίπτωση αυτή αποκαθίσταται μία διαρκής θερμική ισορροπία μεταξύ της θερμότητας που παράγει ο άνθρωπος από την καύση των τροφών και της θερμότητας που απάγεται από αυτόν στο περιβάλλον 2) η θέρμανση πρέπει να είναι ρυθμιζόμενη, δηλαδή πρέπει η αισθητή θερμοκρασία να μπορεί να μεταβάλλεται σε ορισμένα όρια, ανάλογα με την επιθυμία των ανθρώπων που κατοικούν στο θερμαινόμενο χώρο. Στην περίπτωση αυτή πρέπει η ρύθμιση να έχει μικρή αδράνεια. Επίσης ιδιαίτερη σημασία έχει και η γρήγορη θέρμανση του χώρου 3) δεν πρέπει με τη θέρμανση να πέφτει η ποιότητα του αέρα του χώρου. Δεν πρέπει να 1

10 παράγεται αισθητή ποσότητα σκόνης, βλαβερών αερίων και ατμών. Επίσης δεν πρέπει να εμφανίζονται ενοχλητικοί θόρυβοι και ρεύματα αέρα 4) ο χώρος εγκατάστασης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος, η χρήση του συστήματος απλή και η συντήρησή του εύκολη 5) η λειτουργία του συστήματος δεν πρέπει να δημιουργεί κινδύνους για τους ενοίκους του κτιρίου, ακόμη και στις πιο δυσμενείς συνθήκες 6) το κόστος κατασκευής και λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης πρέπει να είναι μικρό και η διάρκεια ζωής του εξοπλισμού ικανοποιητική 2. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ 2.1 Κατάταξη των συστημάτων θέρμανσης Τα συστήματα θέρμανσης κατατάσσονται ανάλογα : [1] α) με τη θέση της εστίας σε τοπικά, κεντρικά και τηλεθερμάνσεις β) με το καύσιμο σε θερμάνσεις άνθρακα, αερίων καυσίμων, πετρελαίου και ηλεκτρικές γ) με το φορέα θερμότητας σε θερμού νερού, υπέρθερμου νερού και αέρα δ) με τον τρόπο απόδοσης θερμότητας σε θερμάνσεις με συναγωγή, με ακτινοβολία, με αέρα καθώς και με συνδυασμό των παραπάνω τρόπων. Υπάρχουν επίσης και μερικές κατηγορίες εγκαταστάσεων θέρμανσης, οι οποίες αναφέρονται ως ειδικές θερμάνσεις (π.χ. ηλιακή ενέργεια), κυρίως γιατί ο τρόπος παραγωγής θερμότητας σε αυτές δεν περιλαμβάνεται στους κλασσικούς τρόπους 2.2 Μηχανισμοί απόδοσης θερμότητας Οι μηχανισμοί απόδοσης θερμότητας στα συστήματα θέρμανσης είναι η ακτινοβολία και η συναγωγή. Τα θερμαντικά σώματα, τα οποία είναι εγκατεστημένα στους χώρους του κτιρίου, καθορίζουν και τον τρόπο με τον οποίο αποδίδεται η θερμότητα από τον φορέα θερμότητας στον χώρο κατοίκησης. Εξαίρεση αποτελούν οι θερμάνσεις με αέρα, οι οποίες διοχετεύουν θερμό αέρα στο χώρο και η θέρμανση επιτυγχάνεται με την ανάμιξη του θερμού αέρα με τον αέρα του χώρου. Σε εκτεταμένες επίπεδες θερμαντικές επιφάνειες (θέρμανση δαπέδου ή οροφής, επίπεδα θερμαντικά σώματα, θερμοπομποί) ο κύριος μηχανισμός απόδοσης θερμότητας από τις επιφάνειες αυτές προς το χώρο είναι η ακτινοβολία. Σε σώματα με έντονη κίνηση του αέρα, είτε λόγω άνωσης (σώματα με κατακόρυφα διάκενα), είτε λόγω της δράσης ανεμιστήρα (σώματα ανεμιστήρα -στοιχείου, θερμοσυσσωρευτές) ο κύριος μηχανισμός είναι η συναγωγή (θέρμανση του αέρα που διέρχεται κοντά στις θερμές επιφάνειες). Ο τρόπος με τον οποίο 2

11 αποδίδεται η θερμότητα στο χώρο καθορίζει σε πολλές περιπτώσεις την εγκατεστημένη ισχύ του συστήματος θέρμανσης. Η ακτινοβολούμενη θερμότητα απορροφάται από τις στερεές επιφάνειες και ελάχιστα από τον αέρα. Λόγω της μεγάλης θερμοχωρητικότητας των δομικών στοιχείων, για να ανέλθει η θερμοκρασία τους πρέπει να απορροφήσουν πολύ μεγάλα ποσά θερμότητας σε σχέση με τον αέρα. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία σε σπάνια θερμαινόμενους χώρους όπως είναι οι εξοχικές κατοικίες, οι εκκλησίες κ.λπ. Για το λόγο αυτό η θέρμανση με ακτινοβολία προς τα δομικά στοιχεία συνεπάγεται εξαιρετικά μεγαλύτερη περίοδο προθέρμανσης από αυτή με συναγωγή. Δηλαδή για τον ίδιο χρόνο προθέρμανσης η ισχύς του συστήματος με ακτινοβολία απαιτείται να είναι πολλαπλάσια από αυτή ενός συστήματος συναγωγής. Ένας από τους τρόπους για τη μείωση της ισχύος της εγκατάστασης σε σπάνια θερμαινόμενους χώρους ή για τη μείωση της περιόδου προθέρμανσης είναι η εφαρμογή της θερμομόνωσης του κτιρίου εσωτερικά, επειδή τα θερμομονωτικά υλικά έχουν μικρή θερμοχωρητικότητα. 2.3 Τοπική θέρμανση Σε μία τοπική θέρμανση η θερμότητα παράγεται σε μία θερμαντική εστία τοποθετημένη σε κάποιο σημείο του χώρου που πρόκειται να θερμανθεί και αποδίδει την παραγόμενη θερμότητα άμεσα στο χώρο, χωρίς τη μεσολάβηση κάποιου μέσου μεταφοράς. Πλεονεκτήματα μιας τοπικής θέρμανσης μπορούν να θεωρηθούν το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και η απλότητα της λειτουργίας τους, δεν εξασφαλίζουν όμως την ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας του χώρου. Οι τοπικές συσκευές είναι συνήθως η μόνη εφικτή λύση όταν θέλουμε να θερμάνουμε ένα μικρό απομονωμένο χώρο, ο οποίος δεν μπορεί να συνδεθεί σε κάποιο σύστημα θέρμανσης, είτε γιατί δεν υπάρχει τέτοιο είτε γιατί η σύνδεση είναι ασύμφορη από τεχνικοοικονομική άποψη. Οι πιο γνωστές και διαδεδομένες συσκευές τοπικής θέρμανσης είναι: - το τζάκι - οι θερμάστρες στερεών, υγρών ή αερίων καυσίμων - τα ηλεκτρικά θερμαντικά σώματα - οι ηλεκτρικοί θερμοπομποί - τα ηλεκτρικά αερόθερμα - οι ηλεκτρικοί θερμοσυσσωρευτές - οι αντλίες θερμότητας αέρα-αέρα δηλαδή οι τοπικές κλιματιστικές συσκευές. 3

12 2.3.1 Τζάκι ανοιχτής εστίας Αποτελεί έναν από τους πιο παλιούς τρόπους θέρμανσης που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος. Παρά την αίσθηση της θαλπωρής που δημιουργεί ένα παραδοσιακό τζάκι, το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που παράγεται χάνεται με τα καυσαέρια μέσα από την καμινάδα. Έτσι, μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας των ξύλων, περίπου το 10-20%, θερμαίνει το γύρω χώρο με άμεση ακτινοβολία της φλόγας. Χαρακτηριστικά: Έχουν πολύ μικρή απόδοση 10-20% και καταναλώνουν πολύ καύσιμο Απαίτηση συνεχούς τροφοδοσίας ξύλων Αποτελεί συνήθως συμπληρωματική θέρμανση Παράγουν πολλούς ρύπους Απαραίτητος εξαερισμός Χρειάζονται συνεχή επίβλεψη λόγω κινδύνου φωτιάς Κακή ποιότητα θέρμανσης, Ζεσταίνουν τοπικά και όπου φτάνει η ακτινοβολία [2] Ενεργειακά Τζάκια Τα ενεργειακά τζάκια αποτελούν κλειστές εστίες με πυράντοχο γυαλί κατάλληλο για υψηλές θερμοκρασίες που φτάνουν και τους 800 C. Οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στο εσωτερικό της εστίας έχουν ως αποτέλεσμα την πλήρη ανάφλεξη των καυσαερίων, χωρίς αυτά να αποβάλλονται άκαυστα σαν καπνός. Έτσι λοιπόν, το τζάκι δεν καπνίζει και επιπλέον, η εστία εκμεταλλεύεται σε μεγαλύτερο βαθμό τη θερμογόνο δύναμη του ξύλου. Ο βαθμός απόδοσης μπορεί να φτάσει και το 90%. Τα ενεργειακά τζάκια, χρησιμοποιούν επίσης σύστημα κυκλοφορίας του θερμού αέρα (ή ζεστού νερού), που μπορεί να θερμαίνει περισσότερους χώρους μιας κατοικίας, είτε με αεραγωγούς είτε από ειδικές θυρίδες στον κορμό της καμινάδας. [3] Γενικά χαρακτηριστικά ενεργειακών τζακιών: Απαίτηση συνεχούς τροφοδοσίας ξύλων Λόγω της κλειστής εστίας γίνεται οικονομία σε καύσιμο και περιορίζονται οι ρύποι και η απώλεια αέρα του χώρου. Δεν χρειάζονται συνεχή επίβλεψη Στα θερμοδυναμικά ή οικολογικά τζάκια υπάρχει επιπλέον και μηχανισμός επανάκαυσης των καυσαερίων αυξάνοντας ακόμη περισσότερο το βαθμό απόδοσης του τζακιού και ελαχιστοποιώντας τους ρύπους. 4

13 2.3.2.i Τζάκι αερόθερμο Στο αερόθερμο τζάκι υπάρχουν στο κάτω μέρος του αεραγωγοί μέρος για την είσοδο κρύου αέρα, ο οποίος θερμαίνεται (μέσω αεραγωγών - δεν έρχεται σε επαφή με τα καυσαέρια της εστίας) και βγαίνει από το πάνω μέρος ζεστός στο χώρο. Χαρακτηριστικά: Βαθμός απόδοσης 30-40% Αποτελεί συνήθως συμπληρωματική θέρμανση Κίνηση αέρα με φυσική κυκλοφορία ή με ανεμιστήρα ii Τζάκι με εναλλάκτη αέρα-αέρα Λειτούργει όπως το αερόθερμο τζάκι. Με τη εγκατάσταση ανεμιστήρα και αεραγωγών θερμαίνονται και γειτονικοί χώροι. Χαρακτηριστικά: Εναλλάκτης καυσαερίων-αέρα Βαθμός απόδοσης έως 70% Δυνατότητα θέρμανσης πολλών χώρων Κυκλοφορία αέρα με ανεμιστήρα-αεραγωγούς-στόμια Προβληματικές συνθήκες άνεσης και υγιεινής γιατί παράγει θερμό και ξηρό αέρα που πιθανόν ανασηκώνει τη σκόνη στο χώρο iii Τζάκι με εναλλάκτη αέρα-νερού Το τζάκι με εναλλάκτη αέρα-νερού θερμαίνει νερό το οποίο διοχετεύεται μέσω κυκλοφορητή στα θερμαντικά σώματα. Χαρακτηριστικά: Εναλλάκτης καυσαερίων-νερού Βαθμός απόδοσης έως 80% Δυνατότητα θέρμανσης πολλών χώρων Κυκλοφορία νερού σε θερμαντικά σώματα με κυκλοφορητή Θερμάστρες i Θερμάστρα ξύλων Χαρακτηριστικά: Βαθμός απόδοσης 70-85% (με φούρνο) Θέρμανση ενός χώρου Απαίτηση συνεχούς τροφοδοσίας ξύλων Απαίτηση καπνοδόχου Έκλυση μικροσωματιδίων και καπνού 5

14 Συνεχής απομάκρυνση στάχτης Απαίτηση μεγάλου αποθηκευτικού χώρου ii Θερμάστρα Pellet νερού Χαρακτηριστικά: Καύση Pellet Βαθμός απόδοσης 85-89% (με φούρνο) Θέρμανση πολλών χώρων Καλή ποιότητα θέρμανσης Αυτόματη τροφοδοσία με περιορισμένη αυτονομία Απαίτηση καπνοδόχου Κυκλοφορία νερού με κυκλοφορητή Απαιτείται εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης Απαίτηση μεγάλου αποθηκευτικού χώρου Θεωρείται οικολογικό καύσιμο (βιομάζα) iii Θερμάστρα Pellet αέρα Χαρακτηριστικά: Καύση Pellet Βαθμός απόδοσης έως 90% Θέρμανση ενός χώρου Κυκλοφορία αέρα με ανεμιστήρα Καλή ποιότητα θέρμανσης Αυτόματη τροφοδοσία με περιορισμένη αυτονομία Απαίτηση καπνοδόχου Θεωρείται οικολογικό καύσιμο (βιομάζα) Απομάκρυνση στάχτης Απαίτηση μεγάλου αποθηκευτικού χώρου Ηλεκτρική θέρμανση Βασικό χαρακτηριστικό της ηλεκτρικής θέρμανσης είναι η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και η απευθείας μετατροπή της σε θερμική ενέργεια και άρα μεταφοράς θερμότητας στο χώρο μέσω τερματικών μονάδων. [4] i Θερμαντικά σώματα υπέρυθρης ακτινοβολίας Τα συγκεκριμένα θερμαντικά σώματα αποτελούνται από ισχυρές αντιστάσεις και επιφάνειες ειδικά επεξεργασμένες ώστε να ακτινοβολούν την απορροφημένη θερμότητα. Οι 6

15 επιφάνειες αυτές συνήθως φέρουν στο τελείωμά τους ειδικές στρώσεις από κρυστάλλους χαλαζία ή επισμάλτωσης. Οι εσωτερικές επιφάνειες του σώματος είναι επεξεργασμένες με διαφόρους τύπους θερμοκρυστάλλων για τη μεγαλύτερη δυνατή απορρόφηση της θερμότητας (βερμικουλίτης). Η υπέρυθρη ακτινοβολία θερμαίνει απευθείας το ανθρώπινο σώμα, τα δομικά στοιχειά (τοίχους κλπ), και τα αντικείμενα χωρίς να θερμαίνει τον αέρα. Ειδικά τα αντικείμενα με μεγάλη θερμική μάζα (π.χ. τούβλα, κεραμικά πλακάκια) αποθηκεύουν τη θερμότητα και την αποδίδουν σταδιακά στο χώρο. Η απόδοση των σωμάτων υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι άμεσα εξαρτώμενη από τη μόνωση του χώρου και τα ποσοστά υγρασίας στα διάφορα δομικά στοιχεία του (τοίχους, οροφές, πατώματα). Ανεπαρκής ή καθόλου μόνωση, μεγάλα ποσοστά υγρασίας (υπόγειο ή επαφή με τη γη) μπορούν να τα καταστήσουν αναποτελεσματικά. Το υψηλό κόστος λειτουργίας παραμένει και στον συγκεκριμένο τύπο ηλεκτρικής θέρμανσης το βασικό μειονέκτημα. Χαρακτηριστικά: Δεν θερμαίνουν τον αέρα Βαθμός απόδοσης 100% Πιθανή ανάγκη για νέα ηλεκτρική εγκατάσταση Υψηλό κόστος κτήσης Υψηλό κόστος λειτουργίας ii Θερμοπομποί Οι θερμοπομποί είναι ηλεκτρικά σώματα που μεταφέρουν τη θερμότητα στο χώρο με ακτινοβολία και μεταφορά. Περιλαμβάνουν στον εξοπλισμό τους ισχυρές αντιστάσεις και μεγάλες μεταλλικές επιφάνειες για την αποτελεσματική συναλλαγή της θερμότητας με τον εσωτερικό αέρα. Προϋπόθεση για την τοποθέτησή τους είναι η ισχυρή ηλεκτρολογική εγκατάσταση, ικανή να εξυπηρετήσει τα υψηλά ηλεκτρικά φορτία των αντιστάσεων. Χαρακτηριστικά: Καλή ποιότητα θέρμανσης Βαθμός απόδοσης 100% Πιθανή ανάγκη για νέα ηλεκτρική εγκατάσταση Υψηλό κόστος λειτουργίας iii Ηλεκτρικοί θερμοσυσσωρευτές Οι θερμοσυσσωρευτές είναι συσκευές κατασκευασμένες να λειτουργούν τις χρονικές περιόδους μειωμένου τιμολογίου από την ΔΕΗ, αποθηκεύοντας τη θερμότητα σε υλικά μεγάλης θερμικής μάζας (πυρότουβλα ). Αποδίδουν τη σωρευμένη θερμότητα στο χώρο όταν 7

16 απαιτείται από τον χρήστη, με σταδιακή αποβολή της, προσφέροντας με τον τρόπο αυτό ηπιότερα τη θερμική άνεση. Κατασκευαστικά είναι ογκώδεις με όχι ιδιαίτερη αισθητική. Συμπερασματικά θα λέγαμε ότι είναι μία ποιοτική μορφή θέρμανσης, άμεσα όμως εξαρτημένης από την πολιτική των μειωμένων τιμολογίων (νυχτερινό). Χαρακτηριστικά: Καλή ποιότητα θέρμανσης Βαθμός απόδοσης 100% Πιθανή ανάγκη για νέα ηλεκτρική εγκατάσταση Σχετικά οικονομική λειτουργία με νυχτερινό τιμολόγιο ΔΕΗ Τοπικά κλιματιστικά (split units) Οι τοπικές κλιματιστικές συσκευές οι οποίες ονομάζονται και διαιρούμενου τύπου (split units) είναι από τα πιο διαδεδομένα συστήματα θέρμανσης. Χρησιμοποιούνται συνήθως για θέρμανση και ψύξη μικρών χώρων (κατοικιών, γραφείων, καταστημάτων κ.λπ.). Οι διαιρούμενου τύπου αντλίες θερμότητας αποτελούνται από δύο ανεξάρτητες μονάδες, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω χαλκοσωλήνων. Διαιρούμενου τύπου είναι οι αντλίες θερμότητας αέρα/αέρα και αέρα/νερού, σε όλα τα μεγέθη. Η εξωτερική μονάδα περιέχει τον συμπιεστή, το εξωτερικό στοιχείο/εναλλάκτη, την εκτονωτική βαλβίδα, την τετράοδη βαλβίδα, τον ανεμιστήρα, καλωδιώσεις και σύστημα ελέγχου. Με κατάλληλο δίκτυο σωλήνων το ψυκτικό ρευστό μεταφέρεται στην εσωτερική μονάδα που περιλαμβάνει τα υπόλοιπα εξαρτήματα δηλαδή το εσωτερικό στοιχείο/εναλλάκτη, τον ανεμιστήρα, καλωδιώσεις και σύστημα ελέγχου. Η εσωτερική μονάδα είτε κλιματίζει απευθείας τον αέρα του χώρου (τοπική μονάδα), είτε συνδέεται με κατάλληλο δίκτυο αεραγωγών κλιματισμού ή δίκτυο διανομής νερού (ημικεντρική μονάδα). Εικόνα 2.1: Τοπικά κλιματιστικά 8

17 2.4 Κεντρική θέρμανση Οι κεντρική θέρμανση χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη μιας μόνο εστίας θέρμανσης, στην οποία παράγεται το σύνολο της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση όλων των χώρων του κτιρίου, και από την ύπαρξη ενός ενδιάμεσου φορέα θερμότητας, ο οποίος μεταφέρει τη θερμότητα από την κεντρική εστία στους θερμαινόμενους χώρους. Το κεντρικό αυτό σύστημα αποτελείται από ένα σύνολο αλληλοσυνδεδεμένων συσκευών και οργάνων, και συγκεκριμένα από το λέβητα, τον καυστήρα, τον κυκλοφορητή, τη δεξαμενή καυσίμων, τις διατάξεις ασφαλείας, τις σωληνώσεις, την καπνοδόχο και τα θερμαντικά σώματα. [5],[1] Η θερμότητα που παράγεται μεταφέρεται στους διάφορους χώρους μέσω ενός θερμαντικού μέσου (νερό, ατμός, αέρας) ενώ η διανομή επιτυγχάνεται μέσω ενός δικτύου σωληνώσεων ή αεραγωγών, ή ακόμη και με συνδυασμό και των δύο. Ο φορέας θερμότητας αποδίδει τη θερμότητα που μεταφέρει είτε μέσω θερμαντικών σωμάτων, για την περίπτωση του νερού και του ατμού, είτε απευθείας για την περίπτωση του αέρα. Από τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης το πλέον διαδεδομένο είναι το σύστημα με κυκλοφορία θερμού νερού. Εικόνα 2.2 : Θέρμανση με θερμό νερό και κυκλοφορητή (εξαναγκασμένη κυκλοφορία) 9

18 2.4.1 Βασική διάταξη συστήματος κεντρικής θέρμανσης με κυκλοφορία θερμού νερού Η θέρμανση των χώρων του κτιρίου επιτυγχάνεται με την κυκλική κυκλοφορία του ενδιάμεσου φορέα της θερμότητας. Στον λέβητα της εγκατάστασης θερμαίνεται το νερό μέχρι τους 90 C περίπου, οδηγείται στα θερμαντικά σώματα όπου αποδίδει θερμότητα και ψύχεται περίπου μέχρι τους 70 C. Στη συνέχεια επιστρέφει στο λέβητα όπου αναθερμαίνεται κ.ο.κ. Η ενέργεια που απαιτείται για την κυκλοφορία του νερού παρέχεται μηχανικά με αντλία (κυκλοφορητής). Η ρύθμιση της λειτουργίας και της απόδοσης του συστήματος επιτυγχάνεται με τα διάφορα όργανα ελέγχου και ρύθμισης. Η ασφαλής λειτουργία της εγκατάστασης επιτυγχάνεται με τις διάφορες συσκευές ασφάλειας. Εικόνα 2.3 : Η βασική διάταξη ενός συστήματος θέρμανσης με νερό 10

19 Πινάκας 2.1: Μέρη και λειτουργίες ενός συστήματος θέρμανσης με νερό ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΘΕΡΜΟΥ ΝΕΡΟΥ 1. Λέβητας θερμού νερού 2. Καυστήρας πετρελαίου ή φυσικού αερίου 3. Κυκλοφορητής 4. Βάννα ανάμιξης 5. Βαλβίδα ασφαλείας 6. Θερμόμετρο εμβαπτίσεως 7. Μανόμετρο 8. Ρυθμιστικές βαλβίδες 9. Θερμοστάτης λέβητα-καυστήρα 10. Κλειστό δοχείο διαστολής 11. Αυτόματος πλήρωσης 12. Σωληνώσεις θερμού νερού 13. Συλλέκτες προσαγωγής και επιστροφής νερού 14. Θερμαντικά σώματα 15. Ρυθμιστικές βαλβίδες ΚΥΚΛΩΜΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ 16. Ηλεκτρονική συσκευή ρύθμισης 17. Κινητήρας βάννας ανάμιξης 18. Αισθητήριο εξωτερικής θερμ/σίας 19. Αισθητήριο θερμοκρασίας νερού στην αναχώρηση 20. Αισθητήριο θερ/σίας αντιπροσωπευτικού εσωτερικού χώρου ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 21. Δεξαμενή καυσίμου 22. Σωλήνας τροφοδοσίας καυστήρα 23. Σωλήνας επιστροφής από καυστήρα 24. Σωλήνας πλήρωσης 25. Σωλήνας εξαερισμού ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ 26. Καπναγωγός 27. Καπνοδόχος ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Παραγωγή θερμού νερού Καύση πετρελαίου ή φυσικού αερίου Πρόσδωση ενέργειας για τη κίνηση του νερού Ρύθμιση της θερμοκρασίας προσαγωγής του νερού στα θερμαντικά σώματα Αποφυγή υπέρβασης της μέγιστης πίεσης Λειτουργίας του συστήματος Ενδειξη θερμοκρασίας του νερού στο λέβητα Ένδειξη πίεσης του νερού στο δίκτυο θέρμανσης Ρύθμιση παροχής νερού στους θερμαντικούς κλάδους Έναρξη-παύση λειτουργίας του καυστήρα Παραλαβή των συστολών-διαστολών του νερού στο δίκτυο θέρμανσης Αυτόματη αναπλήρωση των διαρροών του νερού Μεταφορά θερμού νερού από το λέβητα προς τα θερμαντικά στοιχεία και αντίστροφα Διαχωρισμός της προσαγωγής και της επιστροφής του νερού σε κλάδους Απόδοση θερμότητας από το νερό ή τον ατμό προς το χώρο Ρύθμιση παροχής νερού στα θερμαντικά στοιχεία Προγραμματισμένος έλεγχος της εγκατάστασης Αυτόματη ρύθμιση της λειτουργίας της βάννας ανάμιξης Ρύθμιση της θερμοκρασίας προσαγωγής του νερού ανάλογα με την εξωτερική θερμοκρασία και την επιθυμητή θερμοκρασία εσωτερικών χώρων του κτιρίου Αποθήκευση καυσίμου Τροφοδοσία καυστήρα με καύσιμο Επιστροφή καυσίμου από τον καυστήρα προς τη δεξαμενή Τροφοδοσία δεξαμενής με καύσιμο Εξαερισμός δεξαμενής καυσίμου Οδήγηση καυσαερίων από το λέβητα προς την καπνοδόχο Απαγωγή καυσαερίων στο εξωτερικό περιβάλλον 11

20 Aναλυτικά τα μέρη του συστήματος είναι: Ο Λέβητας Ο λέβητας είναι μια συσκευή, η οποία με την βοήθεια κάποιου καυσίμου υγρού, αερίου ή στερεού θερμαίνουν ή ατμοποιούν το θερμαντικό μέσο. Είναι η συσκευή στην οποία γίνεται η απαραίτητη καύση προκειμένου να θερμανθεί το μέσο αυτό (στη Ελλάδα, στις εγκαταστάσεις θέρμανσης, είναι ως επί το πλείστον ζεστό νερό χαμηλών θερμοκρασιών). Ο τύπος του λέβητα που χρησιμοποιείται καθορίζεται κυρίως από την απαιτούμενη θερμοκρασία και την πίεση του παραγόμενου ατμού ή νερού. Η πιο διαδεδομένη σχεδίαση είναι ο λέβητας φλογοσωλήνων (ή κυψελώδης), όπου τα καυσαέρια διέρχονται μέσω συστοιχίας σωλήνων προσαρμοσμένων στο κύριο σώμα του λέβητα. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται πτερυγιοφόροι σωλήνες για την αύξηση της επιφάνειας θερμικής συναλλαγής, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση και ελαχιστοποιώντας το μέγεθος των μονάδων. Αυτός ο τύπος λέβητα γενικά περιορίζεται μέχρι μια μέγιστη πίεση 25 bar και μέγιστη θερμοκρασία 300 C. Πέρα από τα όρια αυτά συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται μονάδες υδροσωλήνων. Σε αυτόν τον τύπο λέβητα, οι σωλήνες περιέχουν το νερό και τα καυσαέρια διέρχονται γύρω από τους σωλήνες και μεταφέρουν τη θερμότητα από την εξωτερική επιφάνεια των σωλήνων προς το εσωτερικό. Οι λέβητες διακρίνονται σύμφωνα με το υλικό κατασκευής τους σε χυτοσιδηρούς και χαλύβδινους. Οι χυτοσιδηροί αντέχουν καλύτερα στη διάβρωση, μπορούν να επιδεχθούν προσθήκες στοιχείων και χρειάζονται μικρότερες ποσότητες νερού κατά τη λειτουργία τους. Οι χαλύβδινοι έχουν μικρό βάρος και αντέχουν καλύτερα στις πιέσεις και στις απότομες αλλαγές θερμοκρασίας. Οι διαστάσεις τους προσαρμόζονται καλύτερα στις διάφορες απαιτήσεις και έχουν χαμηλό κόστος. Ο Καυστήρας Ο καυστήρας είναι μια συσκευή προσαρμοσμένη πάνω στο λέβητα μέσα στην οποία επιτυγχάνεται η ανάμειξη του καύσιμου υλικού (π.χ. πετρέλαιο) με τον αέρα έτσι ώστε να προκαλείται και να συντηρείται η καύση. Οι καυστήρες διακρίνονται σε τρείς τύπους ανάλογα με το καύσιμο (υγρό ή αέριο) που χρησιμοποιούν ή/και τον τρόπο διασκορπισμού του καυσίμου και την ανάμειξή του με τον αέρα καύσης: - Καυστήρες εξάτμισης - Καυστήρες διασκορπισμού - Καυστήρες περιστροφής 12

21 Οι Κυκλοφορητές και η Δεξαμενή Καυσίμων Σε μια εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης, οι κυκλοφορητές μεταφέρουν το νερό από τον λέβητα στα θερμαντικά σώματα και αντιστρόφως. Ο κυκλοφορητής είναι αντλία φυγοκεντρικού τύπου και κινείται με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος. Συνήθως τοποθετούνται μέσα στο λεβητοστάσιο και κοντά στον λέβητα. Η δεξαμενή καυσίμων αποτελεί άλλο ένα σημαντικό στοιχείο μιας εγκατάστασης κεντρικής θέρμανσης καθώς εκεί αποθηκεύεται το πετρέλαιο. Μια δεξαμενή καυσίμων μπορεί να είναι είτε μεταλλική είτε πλαστική. Οι Διατάξεις Ασφαλείας Οι διατάξεις ασφαλείας εξασφαλίζουν τη λειτουργία μιας εγκατάστασης κεντρικής θέρμανσης και αποτελούνται από το κλειστό δοχείο διαστολής, τον αυτόματο πλήρωσης, τη βαλβίδα ασφαλείας και το ηλρκτρόδιο ανοδικής προστασίας. Μέσω αυτών εξασφαλίζεται η σταθερή πίεση του νερού μέσα στην εγκατάσταση θέρμανσης και η προστασία από ηλεκτρόλυση. Οι Σωληνώσεις Η μεταφορά του νερού από το λέβητα στα θερμαντικά σώματα και η επιστροφή του πίσω στο λέβητα επιτυγχάνεται μέσω του δικτύου σωληνώσεων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τρία είδη σωλήνων: χαλκοσωλήνες, χαλυβδοσωλήνες και πλαστικοί σωλήνες. Για την κατασκευή των κατακόρυφων δικτύων χρησιμοποιούνται σιδηροσωλήνες ή χαλκοσωλήνες. Οι σιδηροσωλήνες πρέπει να είναι μέσου ή βαρέως τύπου. Οι χαλκοσωλήνες πρέπει να είναι βαρέως τύπου. Για την κατασκευή των οριζόντιων κυκλωμάτων χρησιμοποιούνται: Εύκαμπτοι χαλύβδινoι σωλήνες με πλαστική επένδυση. Η επένδυση προστατεύει τους σωλήνες από διάβρωση. Εύκαμπτοι χάλκινοι σωλήνες με πλαστική επένδυση Πλαστικοί σωλήνες από δικτυωμένο πολυαιθυλένιο, κατάλληλοι για υψηλές θερμοκρασίες νερού, που τοποθετούνται σε πλαστικούς σωλήνες σπιράλ μεγαλύτερης διαμέτρου. Με τον τρόπο αυτό, σε περίπτωση βλάβης είναι δυνατή η αντικατάστασή τους χωρίς καμία επέμβαση σε δομικά στοιχεία. Τα Θερμαντικά Σώματα Τα θερμαντικά σώματα αποτελούν τις τελικές συσκευές ενός συστήματος εγκατάστασης κεντρικής θέρμανσης μέσω των οποίων η θερμότητα που μεταφέρει το θερμαντικό ρευστό μεταδίδεται στους εσωτερικούς χώρους. Τα σώματα είναι συνήθως κατασκευασμένα από 13

22 χάλυβα ή αλουμίνιο. Τα χυτοσιδηρά σώματα έχουν εγκαταλειφτεί σήμερα καθώς είναι πιο βαριά, και ενώ διατηρούν τη θερμοκρασία τους για πολλή ώρα αργούν να ζεσταθούν. Τα θερμαντικά σώματα διαθέτουν ειδικούς διακόπτες που επιτρέπουν την απομόνωσή τους προκειμένου να μην ξοδεύεται ενέργεια άσκοπα σε χώρους που δεν κατοικούνται. Διαθέτουν επίσης βαλβίδες εξαερισμού για την εξαέρωσή τους σε περιπτώσεις που συσσωρεύεται αέρας μη επιτρέποντας την ομαλή κυκλοφορία του νερού στο εσωτερικό τους. Για την εγκατάσταση του συστήματος θέρμανσης απαιτείται ένας ειδικός χώρος, συνήθως στο υπόγειο του κτιρίου, που ονομάζεται λεβητοστάσιο. Στο χώρο του λεβητοστασίου υπάρχει όλος ο απαραίτητος μηχανολογικός εξοπλισμός. Το σύστημα θέρμανσης με θερμό νερό χρησιμοποιείται σχεδόν κατ αποκλειστικότητα για τη θέρμανση κατοικιών. Το σύστημα αυτό πλεονεκτεί επίσης οικονομικά για καταστήματα ή κτίρια γραφείων, τα οποία αποτελούνται από μικρούς χώρους. Σε μεγάλα καταστήματα, σε εκτεταμένους χώρους εργασίας καθώς και σε χώρους συνάθροισης πολλών ατόμων όμως, είναι περισσότερο διαδεδομένη η θέρμανση με αέρα, ώστε να επιτυγχάνεται η γρήγορη προσαρμογή του περιβάλλοντος στις θερμοκρασιακές απαιτήσεις. Γενικά τα συστήματα θέρμανσης με αέρα παρουσιάζουν πολύ γρηγορότερα αποτελέσματα και ταυτόχρονα παρέχουν τη δυνατότητα, συγχρόνως με τη θέρμανση, να βελτιώνεται και η ποιότητα του αέρα κλειστών χώρων. Η χρησιμοποίηση του αέρα για τη θέρμανση μεγάλων χώρων δίνει τη δυνατότητα πολύ ταχύτερων και ευρύτερων ποιοτικά ρυθμίσεων (π.χ. ανανέωση ή καθαρισμός) της ατμόσφαιρας του εσωτερικού περιβάλλοντος, παράλληλα με την επίτευξη της κατάλληλης θερμοκρασίας. Ειδικά στους χώρους, όπου η παρουσία πολλών ανθρώπων ή οι πραγματοποιούμενες εργασίες ή παραγωγικές διεργασίες επιβαρύνουν ποιοτικά τον αέρα, είναι φανερό ότι το σύστημα θέρμανσης με αέρα προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα, διότι επιτρέπει τον καθαρισμό και την ποιοτική του βελτίωση. Τα τελευταία χρόνια, κυρίως στους χώρους όπου οι άνθρωποι εργάζονται πνευματικά (γραφεία, βιβλιοθήκες κλπ.) ή συναθροίζονται πολλά άτομα, είναι περισσότερο διαδεδομένη αντί της θέρμανσης με αέρα η εγκατάσταση ολοκληρωμένων συστημάτων κλιματισμού. Ιδιαίτερα σε χώρους, όπου οι υψηλές θερινές θερμοκρασίες και η υψηλή υγρασία είναι ενοχλητικές και αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα στην παραγωγικότητα των εργαζομένων, η χρήση του κλιματισμού είναι πλέον απαραίτητη. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζονται οι επιθυμητές συνθήκες περιβάλλοντος στους χώρους των κτιρίων τόσο κατά τη χειμερινή όσο και κατά τη θερινή περίοδο. 14

23 2.5 Συστήματα κεντρικής θέρμανσης Αν ληφθεί υπόψη η δυνατότητα των συνδυασμών ανάμεσα στο είδος του χρησιμοποιημένου καυσίμου, στις μεθόδους παραγωγής της θερμικής ενέργειας, στο είδος του ενδιάμεσου φορέα θερμότητας και στους τύπους των θερμαντικών σωμάτων, υπάρχουν πάρα πολλά συστήματα κεντρικής θέρμανσης. Μερικά από τα πιο διαδεδομένα είναι τα παρακάτω: [1] Κεντρική θέρμανση θερμού νερού με διάφορους τύπους θερμαντικών σωμάτων Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των σωμάτων στο δίκτυο σωληνώσεων, διακρίνονται σε i) μονοσωλήνιο σύστημα και ii) δισωλήνιο σύστημα. Εικόνα 2.4 : Μονοσωλήνιο και δισωλήνιο σύστημα θέρμανσης i Μονοσωλήνιο σύστημα Το μονοσωλήνιο σύστημα θέρμανσης διαφέρει από το δισωλήνιο, κυρίως ως προς τον αριθμό των αγωγών και τον τρόπο που συνδέονται τα θερμαντικά σώματα στο δίκτυο σωληνώσεων. Συνήθως υπάρχει ένας κεντρικός αγωγός προσαγωγής θερμού νερού, που ξεκινά από τον λέβητα, και ένας κεντρικός αγωγός επιστροφής του νερού, ο οποίος καταλήγει στον λέβητα. Με τους αγωγούς αυτούς συνδέονται τα οριζόντια τμήματα σωληνώσεων του δικτύου. 15

24 Εικόνα 2.5 : Τυπική διάταξη μονοσωλήνιου συστήματος σε πολυώροφο κτίριο Εικόνα 2.6 : Μονοσωλήνιο σύστημα κεντρικής θέρμανσης με αυτονομία 16

25 Εικόνα 2.7 : Συλλέκτης προσαγωγής (1), ρυθμιστικές βαλβίδες ροής (2) μία για κάθε κύκλωμα και συλλέκτης επιστροφής (3) ii Δισωλήνιο σύστημα Στο δισωλήνιο σύστημα απαιτούνται δύο σωλήνες ξεχωριστοί για την τροφοδοσία κάθε συστήματος (προσαγωγή-επιστροφή). [6] Συνήθως, αυτό το σύστημα στη φυσιολογική του μορφή αποτελείται από ένα οριζόντιο δίκτυο σωληνώσεων (διπλών), το οποίο εκτείνεται από το λεβητοστάσιο ως τα άκρα της πλάκας της οικοδομής και συνεχίζει κατακόρυφο πλέον, με μορφή στηλών και τροφοδοτεί τα σώματα των ορόφων. Γενικά σε ένα δισωλήνιο σύστημα έχουμε πολλές στήλες (διπλές), οι οποίες βρίσκονται σε παράλληλη σύνδεση μεταξύ τους, ενώ σε κάθε στήλη έχουμε πολλά σώματα, που βρίσκονται σε παράλληλη σύνδεση μεταξύ τους. Αυτό είναι και το βασικό χαρακτηριστικό του δισωλήνιου συστήματος θέρμανσης. Ένα δεύτερο χαρακτηριστικό του είναι ότι λόγω της παράλληλης σύνδεσης των στηλών και των σωμάτων έχουμε θεωρητικά ίδια θερμοκρασία σε όλα τα σώματα, όταν φυσικά οι σωληνώσεις είναι θερμικά μονωμένες σε όλη τους τη διαδρομή. 17

26 Εικόνα 2.8 :Δισωλήνιο σύστημα κεντρικής θέρμανσης με θερμό νερό. Υ1= τρίοδη βάνα, E: Λέβητας Ν1: Ελεγκτής αντιστάθμισης, Υ1: Τρίοδη/τετράοδη βάνα, Β1: Αισθητήριο προσαγωγής, Β9: Αισθητήριο περιβάλλοντος, Ν2: Βάνα διαφορικής πίεσης, ΚΔ: Κατανεμητής δαπανών, ΘΚ: Θερμοστατική κεφαλή 18

27 2.5.2 Ενδοδαπέδια κεντρική θέρμανση. Η ενδοδαπέδια θέρμανση είναι ένα σύστημα θέρμανσης επιφάνειας ακτινοβολίας, στο οποίο θερμαντική επιφάνεια είναι το δάπεδο του θερμαινόμενου χώρου. Οι βασικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται είναι ίδιες με εκείνες των συμβατικών συστημάτων: καυστήρας, λέβητας, κυκλοφορητής, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε καύσιμο (ηλεκτρισμός, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κλπ). Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι οι τελικοί αποδέκτες του ζεστού νερού δεν είναι τα σώματα καλοριφέρ αλλά το ίδιο το δάπεδο, το οποίο λειτουργεί ως θερμαντικό σώμα. Αφού θερμομονωθεί το δάπεδο από κάτω, απλώνεται ένα σύστημα σωλήνων οι οποίοι μεταφέρουν το ζεστό νερό σε όλη του την επιφάνεια. Οι σωλήνες κατανέμουν τη θερμότητα εκεί που χρειάζεται (και όχι στο υπόγειο ή στους εξωτερικούς τοίχους) και αποδίδουν με ελάχιστη αδράνεια και με χαμηλότερη θερμοκρασία του νερού προσαγωγής. Έτσι, το δάπεδο θερμαίνεται σιγά σιγά και ακτινοβολεί τη θερμότητα στον αέρα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ομοιόμορφη θέρμανση του αέρα, από κάτω προς τα πάνω, και όχι συγκέντρωση της θέρμανσης κοντά στα σώματα [7] Οι χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας της ενδοδαπέδιας θέρμανσης, απαλλάσσουν από την ξηρότητα του αέρα του χώρου και δίνουν ένα πραγματικά υγιεινό περιβάλλον. Επιπλέον, λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών το σύστημα αυτό δεν δημιουργεί ρεύματα αέρα κι έτσι δεν υπάρχουν φαινόμενα όπως μαυρίσματα στους τοίχους ή μεταφορά σωματιδίων και μικροβίων. Εικόνα 2.9 : Ενδοδαπέδια θέρμανση 19

28 2.5.3 Κεντρική θέρμανση θερμού νερού με τοπικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου (fan-coil units) Στα συστήματα αυτά ο έλεγχος των συνθηκών του αέρα γίνεται με την κυκλοφορία του αέρα των χώρων μέσα από κατάλληλες τερματικές συσκευές, στις οποίες κυκλοφορεί θερμό νερό (fan-coils). Το καλοκαίρι με την κυκλοφορία ψυχρού νερού χρησιμοποιούνται και για την ψύξη του κτιρίου. Οι τερματικές συσκευές (fan-coils) περιλαμβάνουν θερμαντικό /ψυκτικό στοιχείο και ανεμιστήρα για την εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα. Σε λειτουργία θέρμανσης ο αέρας περνά από το θερμαντικό στοιχειό και μετά διαχέεται στο χώρο τον οποίο θερμαίνει. Εικόνα 2.10 : Κεντρικό σύστημα θέρμανσης-ψύξης με αντλία θερμότητας αέρα-νερού και τοπικές μονάδες Fan-coil. Εικόνα 2.11 : Τοπικές μονάδες Fan-coil. 20

29 2.5.4 Κεντρική θέρμανση με θερμό αέρα. Σε αυτά τα συστήματα ο αέρας θερμαίνεται σε μια κεντρική συσκευή και μέσω αεραγωγών διανέμεται στους χώρους του κτηρίου θερμαίνοντας τους. Υπάρχουν συστήματα με δυνατότητα λήψης νωπού αέρα για ταυτόχρονο εξαερισμό των χώρων. Εικόνα 2.12 : Εγκατάσταση θέρμανσης με θερμό αερα σε διώροφο σπίτι Κεντρική θέρμανση με αντλίες θερμότητας. Οι αντλίες θερμότητας λειτουργούν ως μηχανές άντλησης ενέργειας από το περιβάλλον για την παραγωγή θέρμανσης. [3] Αυτό σημαίνει ότι καταναλώνουν ένα πολύ μικρό ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας (περίπου το 20%~40% της ονομαστικής τους ισχύος), ενώ την υπόλοιπη ενέργεια την αντλούν από το περιβάλλον. Ανάλογα με τον τρόπο άντλησης της θερμότητας χαρακτηρίζονται ως αεροθερμικές ς μονάδες (αντλούν θερμότητα από τον αέρα) ή υδροθερμικές-γεωθερμικές μονάδες (αντλούν θερμότητα από τη γη). Λόγω της συναλλαγής τους με το περιβάλλον, ο βαθμός απόδοσής τους δεν είναι σταθερός, αλλά επηρεάζεται από τις θερμοκρασιακές συνθήκες του περιβάλλοντος. Οι αντλίες θερμότητας υψηλής ενεργειακής αποδοτικότητας (βαθμός απόδοσης > 3,3) εντάσσονται στις ανανεώσιμες μορφές παραγωγής θερμότητας και αποτελούν καθαρή μορφή θέρμανσης με χαμηλό περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Οι αντλίες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διαφόρους τύπους θερμαντικών σωμάτων όπως κοινά θερμαντικά σώματα με χαμηλή θερμοκρασία (panels), ενδοδαπέδιο δίκτυο και τερματικές μονάδες νερού. Σε υπάρχουσες κατοικίες, που έχουν ήδη εγκατεστημένους λέβητες αερίου ή πετρελαίου, οι αντλίες θερμότητας, μπορούν να συνδυαστούν με το υπάρχον σύστημα θέρμανσης και να 21

30 καλύψουν με τον καλύτερο τρόπο τις ανάγκες θέρμανσης και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Ο λέβητας μπορεί να χρησιμοποιείται ως ενισχυτική πηγή, κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών συνθηκών το χειμώνα. Εικόνα 2.13 : Αντλία θερμότητας εδάφους-νερού Ηλιακή θέρμανση Τα συστήματα ηλιακής θέρμανσης χρησιμοποιούνται ευρέως στη Βόρεια και Κεντρική Ευρώπη, συνήθως σε συνδυασμό με κάποιο άλλο σύστημα θέρμανσης (π.χ. λέβητα θερμού νερού, αντλία θερμότητας κλπ), γι αυτό και είναι γνωστά ως συνδυασμένα συστήματα (combi systems). Τα συστήματα αυτά κάνουν χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας, μέσω ηλιακών συλλεκτών, προκειμένου να ζεστάνουν το νερό το οποίο θα χρησιμοποιηθεί από κάποιο άλλο σύστημα για την θέρμανση χώρων. [8] Η αρχή λειτουργίας του συστήματος είναι ίδια με αυτή ενός κεντρικού ηλιακού συστήματος για θέρμανση ζεστού νερού χρήσης. Η ενέργεια των ηλιακών συλλεκτών μεταφέρεται σε ένα καλά θερμικά μονωμένο θερμοδοχείο και θερμαίνει αρχικά το νερό της κεντρικής θέρμανσης και στη συνέχεια το ζεστό νερό χρήσης. Εάν η ηλιακή ενέργεια δεν επαρκεί, τότε τίθεται σε λειτουργία ο λέβητας και συμπληρώνει την απαιτούμενη ενέργεια. Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται μεγάλη εξοικονόμηση καυσίμων και η θέρμανση των χώρων και του νερού χρήσης επιτυγχάνεται με τρόπο φιλικό προς το περιβάλλον. 22

31 Ένα από τα βασικά στοιχεία ενός σωστού συστήματος ηλιοθερμίας είναι το θερμοδοχείο, το οποίο αποτελεί την "καρδιά" του συστήματος και πρέπει να είναι ειδικά μελετημένο και κατασκευασμένο για τον σκοπό αυτό. Το θερμοδοχείο θα πρέπει να είναι καλά μονωμένο και κυρίως να βοηθά στην διαστρωμάτωση της θερμοκρασίας του νερού στο εσωτερικό του. Η διαστρωμάτωση του δοχείου έχει ως αποτέλεσμα την μέγιστη απόδοση του συστήματος, τον περιορισμό των θερμικών απωλειών και την μέγιστη συλλογή ενέργειας από τους ηλιακούς συλλέκτες. [9] Εικόνα 2.14 :Ηλιακή θέρμανση 23

32 3. ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 3.1 Θέρμανση με λέβητα πετρελαίου Εικόνα 3.1: Λέβητας πετρελαίου Το πετρέλαιο αποτελεί την πιο διαδεδομένη πηγή ενέργειας για την κεντρική θέρμανση των κτηρίων στην Ελλάδα. Ως ορυκτό καύσιμο δεν κατατάσσεται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καθώς επαναφέρει στο περιβάλλον το διοξείδιο του άνθρακα που η φύση κατά κάποιον τρόπο «απέσυρε» πριν από εκατομμύρια χρόνια. Το πετρέλαιο έχει το σημαντικότερο μερίδιο στην παγκόσμια αγορά ενέργειας από κάθε άλλο καύσιμο, μολονότι η αναλογία αυτή μειώνεται. Έτσι, ενώ το 1970 το πετρέλαιο αποτελούσε το 60% της βασικής παροχής ενέργειας, το ποσοστό αυτό σήμερα είναι στο 44%. Η ζήτηση πετρελαίου αυξάνεται κυρίως στον τομέα των μεταφορών, καθώς οι μεταφορές εξαρτώνται αποκλειστικά από το πετρέλαιο και αποτελούν τον κυριότερο καταναλωτή του. Γι αυτό το λόγο μία κρίση στη παροχή πετρελαίου σ αυτό τον τομέα είναι δυσκολότερο να χαλιναγωγηθεί από οποιαδήποτε άλλη διακοπή παροχής οποιουδήποτε άλλου καυσίμου. Η Ευρώπη έχει ωφεληθεί από την εκμετάλλευση των εγχώριων αποθεμάτων, που ωστόσο είναι λιγότερο ελκυστικά οικονομικά και περιορισμένα (συμπεριλαμβανομένου των αποθεμάτων της Νορβηγίας που αποτελούν λιγότερο από το 2% παγκοσμίως). Η εξάρτηση από εισαγωγές πετρελαίου εξακολουθεί να κυμαίνεται από 60% ως 70% και αναμένεται στο μέλλον αυτή να αυξηθεί εξαιτίας της αύξησης της ζήτησης και της μείωσης των εγχώριων αποθεμάτων. Η διεύρυνση δεν είναι πιθανό να επηρεάσει αυτή την εξέλιξη. [10] 24

33 Ο βαθμός απόδοσης ενός τυπικού λέβητα πετρελαίου είναι 90% και φτάνει ως 105% στους λέβητες συμπύκνωσης. H θερμογόνος δύναμη του πετρελαίου είναι : Ανώτερη =10.5 kwh/lt, Κατώτερη = 10 kwh/lt. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της θέρμανσης με λέβητα πετρελαίου είναι: - Υψηλός βαθμός απόδοσης 90% που στους λέβητες συμπύκνωσης ανέρχεται έως 105% - Υψηλή θερμογόνος δύναμη 10 kwh/lt με την όποια επιτυγχάνεται υψηλή θερμοκρασία C του μέσου για τη θέρμανση των χώρων - Χαμηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης και σύντομη απόσβεση επένδυσης - Γρήγορη και εύκολη εγκατάσταση ή αντικατάσταση οποιασδήποτε υφιστάμενης εγκατάστασης θέρμανσης (θερμαντικά σώματα, ενδοδαπέδια, fan coils) και σε όλους τους χώρους (κατοικίες, πολυκατοικίες, επαγγελματικούς χώρους, κτίρια τριτοφενούς τομέα κλπ) - Εγγυημένη μακροχρόνια λειτουργία της εγκατάστασης με σωστή συντήρηση - Περιορισμένη επικινδυνότητα κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης θέρμανσης Τα κυριότερα μειονεκτήματα της θέρμανσης με λέβητα πετρελαίου είναι: - Απαίτηση ιδιαίτερου χώρου εντός του κτηρίου για το λεβητοστάσιο και για τη δεξαμενή αποθήκευσης του καύσιμου - Απαιτείται η περιοδική προμήθεια του καυσίμου. - Ανάγκη συντήρησης. - Αυξημένες εκπομπές CO 2, CO, NO X και αιωρούμενων σωματιδίων που συντελούν στην αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου - Νοθεία πετρελαίου και συνεπώς προμήθεια κακής ποιότητας καύσιμου και περιβαλλοντική ρύπανση - Κακή ή σχεδόν ανύπαρκτη συντήρηση σε σημαντικό αριθμό εγκαταστάσεων με αποτέλεσμα την αυξημένη κατανάλωση και την περιβαλλοντική ρύπανση - Ολοένα αυξανομένη τιμή αγοράς πετρελαίου και ενεργειακή εξάρτηση της Ελλάδας από άλλες χώρες - Μείωση των παγκόσμιων αποθεμάτων πετρελαίου που υπολογίζεται ότι επαρκούν για χρόνια - Κορύφωση της παράγωγης πετρελαίου στα 84 εκατομμύρια βαρέλια ημερησίως, η οποία υπολείπεται της ολοένα αυξανόμενης ζήτησης 25

34 3.2 Θέρμανση με λέβητα φυσικού αεριού Εικόνα 3.2: Λέβητες φυσικού αεριού Το φυσικό αέριο είναι ένα φυσικό προϊόν που βρίσκεται σε υπόγεια κοιτάσματα της γης και είτε συναντάται μόνο του είτε συνυπάρχει με κοιτάσματα πετρελαίου. Είναι μια «φυσική μορφή ενέργειας» που μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς ιδιαίτερη επεξεργασία και κάνει τέλεια καύση στις κατάλληλες συσκευές. Το φυσικό αέριο αποτελεί το φιλικότερο συμβατικό καύσιμο στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. Όσον αφορά την τιμή του φυσικού αερίου που προμηθεύεται η Ελλάδα, βάσει διακρατικών συμφωνιών, βασίζεται αποκλειστικά στις τιμές των πετρελαιοειδών προϊόντων και αναπροσαρμόζεται περιοδικά, ώστε η τελική τιμή χρέωσης του φυσικού αερίου να είναι περίπου 20-30% οικονομικότερη από την τιμή του πετρελαίου θέρμανσης. Ο βαθμός απόδοσης ενός τυπικού λέβητα φυσικού αεριού είναι 90%, ενώ στους λέβητες συμπύκνωσης φτάνει και το 110%. Η σύσταση του φυσικού αερίου διαφέρει ανάλογα με την πηγή προέλευσής του. 26

35 Πίνακας 3.2: Οι προδιαγραφές του φυσικού αερίου. Μεθάνιο (CH 4 ) Min 85% Αιθάνιο (C 2 H 6 ) Max 8,6% Προπάνιο (C 3 H 8 ) Max 3% Βουτάνια Max 2% Πεντάνια και άλλοι υδρογονάνθρακες Max 1% Άζωτο (N 2 ) Max 5% Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Max 3% Το φυσικό αέριο είναι ελαφρύτερο από τον αέρα με σχετική πυκνότητα 0,55. Η μέση πυκνότητα του είναι 0,79 Kg/ Nm 3. Σε περίπτωση διαρροής, διαχέεται και διαφεύγει άμεσα προς την ατμόσφαιρα (σε αντίθεση με το υγραέριο που είναι βαρύτερο από τον αέρα και σε περίπτωση διαφυγής συγκεντρώνεται χαμηλά). Είναι άοσμο, αλλά κατά τη μεταφορά του προστίθεται μια ειδική ουσία με χαρακτηριστική οσμή ώστε να ανιχνεύεται σε περίπτωση διαφυγής. Τα όρια ανάφλεξης του φυσικού αερίου είναι 4,5% - 15%. Δηλαδή, η καύση δεν μπορεί να συντηρηθεί εάν η περιεκτικότητα του αέρα σε φυσικό αέριο είναι εκτός αυτών των ορίων. Για τα αέρια έχει οριστεί μια κατάσταση αναφοράς που καλείται κανονική κατάσταση (και στην οποία ανάγονται οι όγκοι τους) και η οποία είναι 0 0 C για τη θερμοκρασία και 1,01325 bar για την πίεση. Ο όγκος ενός κυβικού μέτρου αερίου σε κανονική κατάσταση αποτελεί ένα κανονικό κυβικό μέτρο αερίου (1Nm 3 ) Θερμογόνος δύναμη φυσικού αεριού Ανωτέρα Θερμογόνος Δύναμη (ΑΘΔ) ορίζεται η ενέργεια που εκλύεται κατά την καύση 1 Nm 3 φυσικού αερίου όταν στα προϊόντα καύσης το νερό βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. Η τιμή της ΑΘΔ δεν είναι σταθερή καθώς εξαρτάται από τη σύσταση του φυσικού αερίου και υπολογίζεται κάθε μήνα από τη ΔΕΠΑ σύμφωνα με μετρήσεις που γίνονται στους σταθμούς παραλαβής του φυσικού αερίου. Μια μέση τιμή ΑΘΔ είναι 11,5 kwh/nm 3. Αντίστοιχα ως Κατωτέρα Θερμογόνος Δύναμη (ΚΘΔ) ορίζεται η ενέργεια που εκλύεται κατά την καύση 1 Nm 3 φυσικού αερίου όταν στα προϊόντα καύσης το νερό βρίσκεται σε αέρια 27

36 κατάσταση δηλαδή σε μορφή υδρατμών (οπότε έχει απορροφήσει ενέργεια) και είναι χαμηλότερη περίπου 10% από τη ΑΘΔ. Μια μέση τιμή ΚΘΔ είναι 10,4 kwh/nm Ρύποι από την καύση του φυσικού αεριού Το φυσικό αέριο είναι το πιο καθαρό και με τους χαμηλότερους ρύπους σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα συμβατικά καύσιμα. Πίνακας 3.3: Εκπεμπόμενοι ρύποι κατά την καύση του φυσικού αερίου σε σχέση με άλλα καύσιμα (σε g ρύπου ανά kwh εισαγόμενης θερμότητας καυσίμου). Τύπος καυσίμου Διοξείδιο του Άνθρακα Διοξείδιο του Θείου Μονοξείδιο Μονοξείδιο του του Αζώτου Άνθρακα Υδρογονάνθρακες Σωματίδια Μαζούτ χαμηλού θείου 260 1,147 0,046 0,0439 0,015 0,150 Πετρέλαιο θέρμανσης 249 0,056 0,045 0,189 0,015 0,023 Πετρέλαιο κίνησης 244 0,054 0,044 0,185 0,015 0,022 Υγραέριο 227 0,000 0,025 0,157 0,006 0,007 Φυσικό Αέριο 177 0,000 0,022 0,137 0,005 0, Προμήθεια φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο υπάρχει σε μεγάλα αποθέματα που ήδη έχει διαπιστωθεί ότι επαρκούν τουλάχιστον 100 έτη σε χώρες όπως η πρώην Σοβιετική Ένωση, το Ιράν, το Κατάρ, το Ιράκ, η Νιγηρία, η Αλγερία, οι ΗΠΑ κ.ά. Η Ελλάδα σήμερα προμηθεύεται φυσικό αέριο από 3 διαφορετικές πηγές: από τη Ρωσία (μέσω Βουλγαρίας) μέσω αγωγών σε αέρια μορφή, 28

37 από την Αλγερία με δεξαμενόπλοια σε υγροποιημένη μορφή (στις εγκαταστάσεις της νήσου Ρεβυθούσας, στον κόλπο των Μεγάρων) και από το 2007, από το Αζερμπαϊτζάν (μέσω Τουρκίας) μέσω αγωγών σε αέρια μορφή. [11] Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της θέρμανσης με λέβητα φυσικού αεριού είναι: - Οικονομικότερη θέρμανση σε σχέση με τους λέβητες πετρελαίου. - Δυνατότητα αυτονόμησης για διαμερίσματα με τοποθέτηση του λέβητα στο μπαλκόνι κι έτσι απαλλαγή από τα προβλήματα της ενιαίας κεντρικής θέρμανσης της πολυκατοικίας. - Μειωμένο κόστος συντήρησης συσκευών και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. - Δεν απαιτείται η περιοδική προμήθεια του καυσίμου και η αποθήκευση του σε δεξαμενές. Το φυσικό αέριο παρέχεται μέσω της απευθείας σύνδεσης της εγκατάστασης με το δίκτυο διανομής φυσικού αερίου και ο χρήστης δεν χρειάζεται να προαγοράσει το καύσιμο του, αλλά πληρώνει την ενέργεια που κατανάλωσε με βάση τους περιοδικούς λογαριασμούς χρέωσης. Δηλαδή το φυσικό αέριο πρώτα καταναλώνεται και μετά εξοφλείται. - Παροχή ζεστού νερού άμεσα σε οποιαδήποτε στιγμή. - Συμφώνα με τα επίσημα στοιχειά, δεν έχει σημειωθεί νοθεία φυσικού αεριού στην Ελλάδα. - Το φυσικό αέριο είναι το πιο καθαρό και λιγότερο ρυπογόνο συμβατικό καύσιμο. Η καύση του παράγει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα, οπότε υποκαθιστώντας τα άλλα καύσιμα συμβάλλει στη μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Δεν περιέχει ενώσεις θείου που ρυπαίνουν το περιβάλλον και προκαλούν το φαινόμενο της όξινης βροχής. Η καύση του είναι καθαρή και πρακτικά δεν εκπέμπει αιθάλη και αιωρούμενα σωματίδια, περιορίζοντας την ατμοσφαιρική ρύπανση Τα κυριότερα μειονεκτήματα της θέρμανσης με λέβητα φυσικού αεριού είναι: - Περιορισμένο δίκτυο διανομής. - Μηνιαίο πάγιο για την παροχή αερίου - Μεγάλο κόστος κτήσης και εγκατάστασης ανάλογα με την τοπολογία του κτηρίου και τα συνεπαγόμενα δίκτυα αεριού και νερού θέρμανσης. - Μέτρια έως κακή αισθητική. - Ολοένα αυξανόμενη τιμή αγοράς που ακολουθεί αυτή του πετρελαίου και ενεργειακή εξάρτηση της Ελλάδας από τρίτες χώρες. - Ανάγκη συντήρησης. 29

38 3.3 Θέρμανση με λέβητα Pellet Τα pellet ή συσσωματώματα ξύλου είναι είδος φιλικού προς το περιβάλλον καυσίμου που προέρχεται από ξύλο ή από βιομάζα, γενικά. Κατασκευάζονται κυρίως από πριονίδι ή άλλα απόβλητα από πριστήρια και μονάδες επεξεργασίες ξύλου (π.χ. θρύμματα ξύλου, ξακρίδια κ.λπ.), από το κλάδεμα δέντρων (π.χ. ελιάς) και τα υπολείμματα καλλιεργειών. Σε αρκετές περιπτώσεις παράγονται και από εναλλακτικές πρώτες ύλες βιομάζας, όπως είναι το πυρηνόξυλο, οι ηλιόσποροι, η αγριαγκινάρα και άλλες ενεργειακές καλλιέργειες, όπως επίσης από ξυλεία η οποία υλοτομείται για την παράγωγη του (οξιά, κωνοφόρα). Τα pellet καίγονται με καυστήρα αυτόματης λειτουργίας και μεταφέρονται από το σιλό με κοχλία στην εστία καύσης. Με την αυτόματη τροφοδοσία του λέβητα pellet επιτυγχάνεται η αυτονομία του συστήματος. Εικόνα 3.3: Τομή λέβητα pellet Παράγωγη Η διαδικασία παραγωγής των pellet ξύλου περιλαμβάνει διαδοχικά τα ακόλουθα στάδια : 1) την αποθήκευση των πρώτων υλών βιομάζας σε καθαρό και στεγνό χώρο 2) τη ξήρανση της ώστε να μειωθεί η περιεκτικότητά της σε υγρασία 3) τον τεμαχισμό και άλεση της 4) τη συμπίεση της σε ειδικές πρέσες 30

39 5) τη ψύξη και το κοσκίνισμα του παραγόμενου pellet 6) την αποθήκευση του τελικού εναλλακτικού καυσίμου που παράγεται σε ασφαλές μέρος. Βασική προϋπόθεση σε όλη αυτή τη διαδικασία είναι η πρώτη ύλη να αποτελείται αποκλειστικά από καθαρό ξύλο, χωρίς προσμίξεις από χημική ουσία (π.χ. βαφές, βερνίκια, κ.λπ.). Παράλληλα, κατά την παραγωγή τους δεν χρησιμοποιούνται καθόλου χημικά, καθώς η συγκολλητική ουσία που επιτυγχάνει τη συμπαγή τους μορφή, είναι η λιγνίτη, μια φυσική ουσία που περιέχεται στο ξύλο. Η διαδικασία παραγωγής του pellet συντελεί στην παραγωγή υψηλής ποιότητας προϊόντος και είναι απαραίτητο να ελέγχεται πλήρως η παραγωγική διαδικασία. Οποιαδήποτε μεταβολή στις συνθήκες παραγωγής του pellet (π.χ. μη επαρκής ξήρανση) έχει ως συνέπεια την παραγωγή κατώτερης ποιότητας προϊόντος, με χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση. Χαρακτηριστικά των pellet ξύλου Ως προς την μορφή τους, τα pellet ξύλου έχουν μικρό, κυλινδρικό σχήμα διαμέτρου 6 mm και λεία εξωτερική επιφάνεια. Υπάρχουν και μεγαλύτερα των 6 mm μεγέθη τα οποία συνήθως χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ή σε πολύ μεγάλες εγκαταστάσεις. Αυτά τα χαρακτηριστικά τους προσδίδουν ιδιότητες ρευστού (μεγάλη ευκολία στη ροή). Συνεπώς, η αποθήκευση και μεταφορά τους είναι πολύ πιο εύκολη και αποδοτική από οποιαδήποτε άλλο είδος ξύλου. Βασικό χαρακτηριστικό του pellet είναι η πολύ χαμηλή υγρασία του (λιγότερο από 10%), η χαμηλή του περιεκτικότητα σε τέφρα 1% και μεγάλη πυκνότητα (>1.100 kgr/m 3 ), γεγονός που επιτρέπει την καύση του και την υψηλή θερμαντική του απόδοση. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικό και αποδοτικό καύσιμο. Οι παραπάνω ιδιότητες των pellet ξύλου, έχουν αποτυπωθεί και στο υπό κατάρτιση Ευρωπαϊκό Πρότυπο ποιότητας "ΕΝ , που καθορίζει αυστηρά όρια στις ιδιότητες των pellet ξύλου. Σύμφωνα με το εν λόγω πρότυπο, τα pellet ξύλου διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Α1, Α2 και Β. Οι αυστηρότερες προδιαγραφές αντιστοιχούν στα ποιότητας Α1 pellet ξύλου, τα οποία αποτελούν εξαιρετικής ποιότητας καύσιμο και ιδανικό για οικιακή κατανάλωση. [12], [13] Ο βαθμός απόδοσης ενός τυπικού λέβητα pellet είναι 90% Η θερμογόνος δύναμη του pellet είναι : 4.5 kwh/kg και μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με την ποιότητα. 31

40 Πίνακας 3.4: Ποιοτικά χαρακτηριστικά των διάφορων κατηγοριών pellet ξύλου σύμφωνα με το πρότυπο EN Υλικό Προέλευσης (πρώτη ύλη) Κατηγορίες & Χαρακτηριστικά Ποιότητας Pellet ξύλου σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ Παράμετρος Κατηγορία Μονάδες Ποιότητας ENPlus-A1 Κατηγορία ENPlus-A2 Κατηγορία EN-B Διάμετρος mm 6-8 +/ / /- 1 Μήκος mm Πυκνότητα (χύδην) kg/m3 >600 >600 >600 Θερμαντική αξία MJ/kg Υγρασία % <10 <10 <10 Ανθεκτικότητα % >97.5 >97,5 >97.5 Τέφρα % <0.7 <1.5 <3 Σημείο Τήξεως Τέφρας C >1200 >1100 >1100 Ολόκληρα δέντρα χωρίς ριζικό σύστημα Παρθένα ξυλεία Μη χημικά επεξεργασμένα υπολείμματα ξύλου Παρθένα ξυλεία Υπολείμματα κλαδεμάτων Μη χημικά επεξεργασμένα υπολείμματα ξύλου Δασικές και λοιπές καλλιέργειες & παρθένα ξυλεία Μη χημικά επεξεργασμένα υπολείμματα ξύλου & χρησιμοποιημένα ξύλα Τα κυριότερα πλεονεκτηματα της θέρμανσης με λέβητα pellet είναι: - Θεωρείται ανανεώσιμη πηγή ενέργειας - Σχετικά μικρό κόστος λειτουργίας - Η καύση των pellet βοηθά ουσιαστικά στη μείωση των δασικών υπολειμμάτων από την παραγωγή ξυλείας και από τη βιομηχανία επίπλων. - Τα pellet δεν εκλύουν επικίνδυνα αέρια κατά την καύση τους (απουσία χημικών κατά τη διαδικασία παραγωγής). - Η επιβάρυνση στο περιβάλλον είναι μηδενική αφού είναι καθαρά ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Το CO 2 που παράγεται στην καύση έχει απορροφηθεί από τα δέντρα από τα 32

41 οποία κατασκευάστηκε το pellet ξύλου, ενώ τα αιωρούμενα στερεά είναι ελάχιστα λόγω της ελάχιστης υγρασίας που περιέχει το pellet - Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO 2 ) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. - Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. - Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και τη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικό-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών καυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο. Τα κυριότερα μειονεκτήματα της θέρμανσης με λέβητα pellet είναι: - Ανάγκη μεγάλου ωφέλιμου χώρου (καυστήρας-λέβητας + αποθηκευτικός χώρος) - Υψηλό κόστος συντήρησης όταν χρησιμοποιούνται pellet χαμηλής ποιότητας - Ανάγκη συνεχούς ανατροφοδότησης - Τακτικό καθάρισμα της εστίας καύσης. Το pellet παράγει στάχτη, η οποία πρέπει να καθαρίζεται σε εβδομαδιαία βάση. 3.4 Θέρμανση με αντλίες θερμότητας Η ευρεία χρήση των αντλιών θερμότητας τα τελευταία χρόνια οφείλεται στη σημαντική μείωση του κόστους αγοράς τους, αλλά και στη βελτίωση της τεχνολογίας των συμπιεστών και των κινητήρων τους (inverter) χάρη στην ταχεία εξέλιξη των ηλεκτρονικών. Η τεχνολογία μεταβλητών στροφών (ιnverter) επιτρέπει την ακόμα μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας έναντι των παραδοσιακών συστημάτων σταθερών στροφών. Οι αντλίες θερμότητας με inverter αυξάνουν βαθμιαία την ισχύ που απαιτείται για να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία. Το χαρακτηριστικό αυτό μειώνει τις μηχανικές καταπονήσεις αποφεύγει τα ηλεκτρικά φορτία αιχμής και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και το θόρυβο. 33

42 Εικόνα 3.4: Αντλίες θερμότητας. Η αρχή της λειτουργιάς της αντλίας θερμότητας είναι η αξιοποίηση της ενέργειας του περιβάλλοντος (από ήλιο, αέρα, έδαφος, νερό) και βασίζεται στο ότι τα βασικά εξαρτήματα της (συμπιεστής, συμπυκνωτής, εξατμιστής, εκτονωτική βαλβίδα) χρησιμοποιούνται με τέτοιο τρόπο, ώστε αυτή να απορροφά (αντλεί) θερμότητα από μια πηγή ενέργειας (αέρας, νερό, έδαφος κλπ) και να την αποδίδει σε ένα χώρο ή σε ένα μέσον (αέρας, νερό) υψηλότερης θερμοκρασίας. Φυσικά κανένας νόμος της θερμοδυναμικής δεν παραβιάζεται, απλά το μηχανικό έργο με το οποίο τροφοδοτείται η συσκευή, χρησιμοποιείται για την μετάδοση θερμότητας από την χαμηλή στην υψηλότερη θερμοκρασία. Σε πολλές εφαρμογές η αντλία θερμότητας είναι σχεδιασμένη κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να αντιστρέφει την ψυκτική και θερμαντική λειτουργία. Αυτό επιτρέπει τη χρήση της ίδιας συσκευής για ψύξη και θέρμανση. Οι αντλίες θερμότητας, απορροφούν περίπου το 75% της απαιτουμένης ενέργειας για θέρμανση και ψύξη από το περιβάλλον. Το υπόλοιπο 25% λαμβάνεται με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται στο συμπιεστή. 34

43 Εικόνα 3.5: Το ενεργειακό ισοζύγιο της θέρμανσης με αντλία θερμότητας Η μεταφορά της θερμότητας από την χαμηλή στην υψηλή θερμοκρασία γίνεται με κατανάλωση μηχανικής ενέργειας για την λειτουργία του συμπιεστή της συσκευής. Η ενέργεια αυτή προέρχεται είτε από ηλεκτρικό κινητήρα είτε από μία μηχανή εσωτερικής καύσης (πετρελαίου ή φυσικού αερίου). Το μηχανικό έργο που δαπανάται για την λειτουργία της αντλίας θερμότητας χρησιμεύει για την μεταφορά μιας ποσότητας θερμότητας, που ήδη υπάρχει σε μία πηγή ενέργειας (αέρας, νερό, έδαφος), σε υψηλότερη θερμοκρασία και όχι για την παραγωγή θερμότητας. Συνήθως η διεργασία αυτή της μεταφοράς θερμότητας έχει ένα βαθμό απόδοσης από 2 έως 4, δηλαδή η αντλία θερμότητας παρέχει από 2 έως 4 φορές περισσότερη θερμότητα (kwh) από την ηλεκτρική ενέργεια (kwh) που καταναλώνει. Αυτό συμβαίνει γιατί η θερμότητα που μεταφέρεται στην υψηλή θερμοκρασία περιέχει τόσο το μηχανικό έργο όσο και τη θερμική ενέργεια που απορροφάται στη χαμηλή θερμοκρασία. Εικόνα 3.6: Σχηματική διάταξη του ψυκτικού κύκλου συμπίεσης ατμών 35

44 Η μεταφορά της θερμότητας μεταξύ των δύο χώρων διαφορετικής θερμοκρασίας γίνεται με τη βοήθεια των ψυκτικών ρευστών. Τα ψυκτικά ρευστά, ακολουθώντας μία κυκλική λειτουργία σε ένα θερμοδυναμική κύκλο, απορροφούν θερμότητα όταν εξατμίζονται και αποβάλλουν θερμότητα όταν συμπυκνώνονται. Επειδή τα περισσότερα ψυκτικά ρευστά έχουν την ιδιότητα να εξατμίζονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μπορούν να απορροφήσουν θερμότητα ακόμη και όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας (π.χ. αέρας) είναι μικρότερη από τους 0 C. Βέβαια όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας τόσο μεγαλύτερος είναι και ο βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας. Με την χρήση μιας αντλίας θερμότητας το σύστημα θέρμανσης μπορεί να είναι έως και 6 φορές πιο αποτελεσματικό από τα παραδοσιακά συστήματα θέρμανσης με ορυκτά καύσιμα. Με τις ιδανικές κλιματολογικές συνθήκες στην Ελλάδα, ο μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης (COP) του συστήματος μπορεί σε ορισμένες περιοχές να είναι πάνω από 4 για αντλίες θερμότητας αερα-νερού και πάνω από 5 για αντλίες θερμότητας εδάφους-νερού με γεωθερμία. Εξασφαλίζοντας τέτοιο υψηλό βαθμό απόδοσης το λειτουργικό κόστος χρήσης ελαττώνεται σημαντικά. Με βάση την θερμοκρασία προσαγωγής του νερού υπάρχουν αντλίες θερμότητας χαμηλών (55 C), μεσαίων (65 C) και υψηλών (75 C) θερμοκρασιών και κάθε μια τοποθετείται σε ανάλογη εγκατάσταση. Ο συντελεστής αποδοτικότητας των αντλιών θερμότητας COP είναι μεταβαλλόμενος ανάλογα με την εξωτερική θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Οι αντλίες θερμότητας μπορούν να εγκατασταθούν σε νέα η σε παλιά κτήρια και μπορούν να συνδεθούν με υπάρχοντα θερμαντικά σώματα, συστήματα ενδοδαπέδιας θέρμανσης και δροσισμού καθώς και με άλλες ανανεώσιμες πηγές όπως φωτοβολταϊκά panels Τύποι Συστημάτων με Αντλίες Θερμότητας Οι αντλίες θερμότητας για ψύξη και θέρμανση κτιρίων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με: α) την πηγή και τον αποδέκτη θερμότητας και β) την κατασκευή και το μέγεθος. Ανάλογα με την πηγή και τον αποδέκτη θερμότητας, οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε : Σε συστήματα με πηγή τον αέρα : Α.Θ. αέρα-αέρα Α.Θ. αέρα-νερού Σε συστήματα γεωθερμίας : 36

45 Α.Θ. νερού-αέρα Α.Θ. νερού-νερού Α.Θ. εδάφους-νερού Α.Θ. εδάφους-αέρα Συστήματα με πηγή τον αέρα i Αντλίες θερμότητας αέρα-αέρα Ο πιο συνηθισμένος τύπος αντλίας θερμότητας είναι η αντλία θερμότητας αέρα-αέρα, που χρησιμοποιείται ευρύτατα για την θέρμανση και ψύξη κατοικιών, γραφείων και μικρών εμπορικών καταστημάτων. Κατά την θερμαντική λειτουργία, ο εξατμιστής απορροφά θερμότητα από τον εξωτερικό αέρα του περιβάλλοντος και την απορρίπτει μέσω του συμπυκνωτή στον αέρα του χώρου που θερμαίνεται (εσωτερικός αέρας). Με την αντιστροφή του λειτουργικού της κύκλου η αντλία θερμότητας μπορεί να ψύξει τον χώρο (εικ. 3.7). Στην περίπτωση αυτή ο συμπυκνωτής γίνεται εξατμιστής, απορροφά θερμότητα από τον εσωτερικό αέρα και την απορρίπτει με την βοήθεια του εξατμιστή, που γίνεται συμπυκνωτής, στο εξωτερικό περιβάλλον. Η πιο χαρακτηριστική εφαρμογή των συστημάτων αυτών είναι οι κλιματιστικές συσκευές που τοποθετούνται σήμερα για την ψύξη των χώρων κατά τους θερινούς μήνες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για θέρμανση. Τα κοινά τοπικα κλιματιστικά που ονομάζονται και μονάδες διαιρούμενου τύπου (split units), έχουν συντελεστή αποδοτικότητας 2 2,5, ενώ στα κλιματιστικά τεχνολογίας inverter ο συντελεστής αποδοτικότητας φτάνει έως και 4. Εικόνα 3.7: Σχηματικό διάγραμμα αντλίας θερμότητας αέρα-αέρα σε λειτουργία θέρμανσης (α) και ψύξης (β) 37

46 Εικόνα 3.8: αντλία θερμότητας αέρα-αέρα Τα τοπικα κλιματιστικά εξοικονομούν επιπλέον ενέργεια χάρη στην αυτονομία θέρμανσης χώρων που προσφέρουν. Είναι εύκολη η θέρμανση μόνο των επιλεγμένων χώρων και όχι το σύνολο της κατοικίας η του κτηρίου. Το κύριο μειονέκτημα των αντλιών θερμότητας αυτού του τύπου είναι, ότι κατά την διάρκεια του χειμώνα και ειδικότερα στις μέρες που η θερμοκρασία του περιβάλλοντος κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα, η απόδοσή τους μειώνεται δραστικά με αποτέλεσμα να αδυνατούν να ανταποκριθούν στις ανάγκες θέρμανσης. Για να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα αυτό τοποθετούνται ηλεκτρικές αντιστάσεις, που χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματική πηγή θερμικής ενέργειας. Οι αντιστάσεις αυτές τοποθετούνται στην μονάδα διαχείρισης του αέρα και ενεργοποιούνται αυτόματα και σταδιακά καθώς η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πέφτει. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι οι αντλίες θερμότητας αερα-αερα θερμαίνουν μόνο τον αερα του χώρου, ενώ η θερμοκρασία επιφάνειας των δομικών στοιχείων παραμένει σημαντικά χαμηλότερη μειώνοντας την αίσθηση θερμικής άνεσης. 38

47 3.4.2.ii Αντλίες θερμότητας αέρα-νερού Οι αντλίες θερμότητας αέρα-νερού χρησιμοποιούνται κυρίως σε συστήματα κεντρικού κλιματισμού, όπου είναι απαραίτητος ο έλεγχος της θερμοκρασίας σε κάθε κλιματιστική ζώνη. Επίσης εγκαθίστανται και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις για την παραγωγή θερμού και ψυχρού νερού. Η άντληση και η απόρριψη θερμότητας από τον εξωτερικό αέρα, γίνεται με τον ίδιο τρόπο όπως και στην αντλία θερμότητας αέρα/αέρα, δηλαδή με αερόψυκτο συμπυκνωτή/εξατμιστή. Στο δευτερεύον κύκλωμα, δηλαδή στην πλευρά του νερού, υπάρχει υδρόψυκτος εναλλάκτης (συμπυκνωτής) που τροφοδοτεί το δίκτυο σωληνώσεων με θερμό/ψυχρό νερό. Εικόνα 3.9: Αντλία θερμότητας αέρα-νερού Συστήματα γεωθερμίας Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας έχουν τουλάχιστον 30% υψηλότερη ενεργειακή απόδοση από τα συστήματα με πηγή θερμότητας τον αέρα. Ο ετήσιος βαθμός απόδοσης τους κυμαίνεται μεταξύ 3.5 και 5.5 γεγονός που αποδεικνύει ότι μπορούν να εξοικονομηθούν σημαντικά ποσά ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. 39

48 Ένα σύστημα με γεωθερμική αντλία θερμότητας αποτελείται από: α) Σύστημα συλλογής γεωθερμικής ενέργειας εντός του εδάφους, το οποίο είναι είτε γεωεναλλάκτης θερμότητας (σωλήνες νερού από πολυαιθυλένιο, θαμμένοι στο έδαφος σε οριζόντια ή σε κατακόρυφη διάταξη) είτε υδρογεώτρηση β) Υδρόψυκτη αντλία θερμότητας (νερού-νερόύ ή νερού αέρα) γ) Σύστημα θέρμανσης-ψύξης εντός του κτιρίου (σύστημα κλιματισμού με αέρα και κεντρικές κλιματιστικές μονάδες, σύστημα κλιματισμού με νερό ή σύστημα κλιματισμού αέρανερού). Εικόνα 3.10: Γεωεναλλάκτης θερμότητας σε κατακόρυφη και οριζόντια και διάταξη i Aντλίες θερμότητας νερού-αέρα Οι αντλίες θερμότητας νερού-αέρα χρησιμοποιούν το νερό, ως πηγή και αποδέκτη θερμότητας, και τον αέρα για να μεταφέρουν ή να απάγουν θερμότητα από τον κλιματιζόμενο χώρο. Οι συσκευές αυτού του τύπου τροφοδοτούνται με νερό μέσω κατάλληλου δικτύου και συνδέονται με δίκτυο αεραγωγών, για την προσαγωγή/απαγωγή του αέρα στους κλιματιζόμενους χώρους. Η εναλλαγή του κύκλου λειτουργίας της αντλίας από ψύξη σε θέρμανση, γίνεται με αντιστροφή του ψυκτικού κύκλου μέσω τετράοδης βαλβίδας. 40

49 Ως πηγή/αποδέκτης θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο υπεδαφικό όσο και επιφανειακό νερό, καθώς και απόνερα. Η χρήση των απόνερων γίνεται κυρίως σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, με την προϋπόθεση ότι εξασφαλίζεται η καθαρότητα του νερού για την αποφυγή διαβρώσεων ή οξειδώσεων στα μηχανικά μέρη της αντλίας θερμότητας. Οι εγκαταστάσεις αντλιών θερμότητας νερού/αέρα χρησιμοποιούν νερό πηγής, λίμνης, ποταμού ή σπανιότερα θάλασσας για την προσαγωγή/απαγωγή θερμότητας. Στην περίπτωση που γίνεται χρήση θαλασσινού νερού, μεταξύ της πηγής και της αντλίας θερμότητας παρεμβάλλεται ένας εναλλάκτης θερμότητας που εξασφαλίζει προστασία από διάβρωση. Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντλία θερμότητας ειδικής κατασκευής, με μεταλλικά μέρη που αντέχουν στην διάβρωση. Στις περιπτώσεις αυτές το κόστος είναι αρκετά υψηλό, γι αυτό οι εγκαταστάσεις αυτές είναι συνήθως μεγάλου μεγέθους. Εικόνα 3.11: Σχηματική διάταξη λειτουργίας θέρμανσης αντλίας θερμότητας με πηγή το έδαφος. 41

50 3.4.3.ii Aντλίες θερμότητας νερού- νερού Οι αντλίες θερμότητας νερού-νερού χρησιμοποιούν το νερό ως πηγή/αποδέκτη θερμότητας, τόσο στη θερμαντική όσο και στην ψυκτική τους λειτουργία (εικ. 3.12). Το πρωτεύον κύκλωμα τροφοδοτείται με νερό από το περιβάλλον ενώ το δευτερεύον συνδέεται με ενδοδαπέδια συστήματα, με τοπικές μονάδες ανεμιστήρα/στοιχείου (Fan-coil units) ή με στοιχεία κεντρικών κλιματιστικών μονάδων (ΑHUs). Το θερμό/ψυχρό νερό του δευτερεύοντος κυκλώματος εξασφαλίζει τις επιθυμητές συνθήκες κλιματισμού κάθε χώρου. Εικόνα 3.12: Σχηματικό διάγραμμα αντλίας θερμότητας νερού-νερού σε δίκτυο θέρμανσης iii Αντλίες θερμότητας εδάφους-νερού Οι αντλίες θερμότητας εδάφους-νερού χρησιμοποιούν την αποθηκευμένη ενέργεια του εδάφους (θερμοχωρητικότητα εδάφους) για τον κλιματισμό δημόσιων και ιδιωτικών κτιρίων κάθε μεγέθους. Για να επιτευχθεί αυτό κατασκευάζεται στο έδαφος ένα κλειστό δίκτυο πλαστικών σωλήνων, που ονομάζεται γεωεναλλάκτης, μέσα στο οποίο κυκλοφορεί αποσκληρυμένο νερό ή διάλυμα νερού/αντιπηκτικού. Με την βοήθεια του γεωεναλλάκτη ο εξατμιστής/συμπυκνωτής του πρωτεύοντος κυκλώματος της αντλίας θερμότητας απορροφά ή απορρίπτει θερμότητα στο έδαφος. Ανάλογα με την κατασκευή του γεωεναλλάκτη τα συστήματα αυτά διακρίνονται σε οριζόντια (εικ. 3.13) και κατακόρυφα (εικ. 3.14). Στα οριζόντια συστήματα αντλιών θερμότητας εδάφους/νερού, ο γεωεναλλάκτης κατασκευάζεται παράλληλα με την επιφάνεια του εδάφους και σε βάθος από 1,2 έως 2,0 m. Η κατασκευή τέτοιων συστημάτων προϋποθέτει την ύπαρξη διαθέσιμης έκτασης γης για την εγκατάσταση του γεωεναλλάκτη. 42

51 Εικόνα 3.13: Αντλία θερμότητας εδάφους-νερού ή εδάφους-αέρα με οριζόντιο γεωεναλλάκτη Σε περιοχές όπου είτε δεν υπάρχει διαθέσιμη έκταση είτε το κόστος δέσμευσής της είναι απαγορευτικό, κατασκευάζονται τα κατακόρυφα συστήματα. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από ένα κάνναβο γεωτρήσεων, κάθετο ως προς την επιφάνεια του εδάφους, σε βάθος από 50 έως 150 m και με απόσταση μεταξύ των γεωτρήσεων από 4 έως 6 m. Το δευτερεύον κύκλωμα της αντλίας αποτελείται στην περίπτωση αυτή από δίκτυο νερού που τροφοδοτεί ανάλογα με την λειτουργία της αντλίας με ψυχρό ή θερμό νερό τοπικές ή κεντρικές κλιματιστικές μονάδες. Εικόνα 3.14: Αντλία θερμότητας εδάφους-νερού ή εδάφους-αέρα με κατακόρυφο γεωεναλλάκτη 43

52 Τα συστήματα αντλιών θερμότητας εδάφους/νερού παρουσιάζουν στις μέρες μας υψηλά ποσοστά εγκατάστασης σε προηγμένες Ευρωπαϊκές χώρες όπως η Γερμανία, η Ελβετία, η Σουηδία, αλλά και σε χώρες της Αμερικανικής ηπείρου όπως οι Η.Π.Α και ο Καναδάς. Το γεγονός αυτό οφείλεται στους υψηλότερους βαθμούς απόδοσης που παρουσιάζουν σε σχέση με τους υπόλοιπους τύπους αντλιών θερμότητας, αλλά και στην φιλικότερη προς το περιβάλλον συμπεριφορά που εκφράζεται με την μειωμένη κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας που έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των εκπομπών ρύπων στην ατμόσφαιρα. Εικόνα 3.15: Σχηματικό διάγραμμα αντλίας θερμότητας εδάφους-νερού σε δίκτυο θέρμανσης iv Αντλίες θερμότητας εδάφους- αέρα Οι αντλίες θερμότητας εδάφους-αέρα έχουν λειτουργικά και κατασκευαστικά το ίδιο πρωτεύον κύκλωμα με τις αντλίες θερμότητας εδάφους/νερού. Στο δευτερεύον κύκλωμά τους όμως αντί του υδρόψυκτου εναλλάκτη (συμπυκνωτή/εξατμιστή), υπάρχει ανεμιστήρας και αερόψυκτος συμπυκνωτής/εξατμιστής, που τροφοδοτούν με θερμό ή ψυχρό αέρα το δίκτυο αεραγωγών κλιματισμού του κτιρίου Αντλίες θερμότητας ανάλογα με την κατασκευή και το μέγεθος Ανάλογα με την ισχύ τους οι αντλίες θερμότητας κατατάσσονται σε μικρού, μεσαίου και μεγάλου μεγέθους. Ανάλογα με την κατασκευή τους, οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε: - ενιαίου (packaged) 44

53 - διαιρούμενου τύπου (split). Οι ενιαίου τύπου περιέχουν όλα τα κατασκευαστικά τους μέρη τοποθετημένα μέσα σε μια μονάδα. Οι διαιρούμενου τύπου αντλίες θερμότητας αποτελούνται από δύο ανεξάρτητες μονάδες, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω χαλκοσωλήνων. Διαιρούμενου τύπου είναι οι αντλίες θερμότητας αέρα/αέρα και αέρα/νερού, σε όλα τα μεγέθη. Η εξωτερική μονάδα περιέχει τον συμπιεστή, το εξωτερικό στοιχείο/εναλλάκτη, την εκτονωτική βαλβίδα, την τετράοδη βαλβίδα, τον ανεμιστήρα, καλωδιώσεις και σύστημα ελέγχου. Με κατάλληλο δίκτυο σωλήνων το ψυκτικό ρευστό μεταφέρεται στην εσωτερική μονάδα που περιλαμβάνει τα υπόλοιπα εξαρτήματα δηλαδή το εσωτερικό στοιχείο/εναλλάκτη, τον ανεμιστήρα, καλωδιώσεις και σύστημα ελέγχου. Η εσωτερική μονάδα είτε κλιματίζει απευθείας τον αέρα του χώρου (τοπική μονάδα), είτε συνδέεται με κατάλληλο δίκτυο αεραγωγών κλιματισμού ή δίκτυο διανομής νερού (ημικεντρική μονάδα). Τοπικές αντλίες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θέρμανση και ψύξη μικρών χώρων (κατοικιών, γραφείων, καταστημάτων κ.λ.π.). Οι αντλίες θερμότητας ενιαίου τύπου τοποθετούνται τόσο στο εξωτερικό περιβάλλον, συνήθως όταν πρόκειται για μονάδες αέρα/αέρα ή αέρα/νερού μεγάλης ισχύος (κεντρικές μονάδες), όσο και σε εσωτερικά μηχανοστάσια. Ενιαίου τύπου αντλίες θερμότητας κατασκευάζονται σε όλα τα μεγέθη και σε όλους τους τύπους πηγής/αποδέκτη. Μεγάλα κεντρικά συστήματα χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση και ψύξη κτιρίων (νοσοκομείων, πολυκαταστημάτων, γραφείων κ.λ.π.), για τη θέρμανση νερού σε κολυμβητήρια και για την κεντρική παραγωγή θερμού νερού χρήσης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αντί να χρησιμοποιηθεί μία μόνο αντλία θερμότητας, η συνολική ισχύς μοιράζεται σε πολλές μικρότερης ισχύος συσκευές, για να εξυπηρετηθεί ένα κτίριο κατά ζώνες. Επίσης συχνά εγκαθίστανται συστήματα με αντλίες θερμότητας, τα οποία παρέχουν συγχρόνως θέρμανση και ψύξη σε ένα κτίριο Αντλίες θερμότητας σε συστήματα θέρμανσης κτιρίων Αντλίες θερμότητας μπορούν να εγκατασταθούν σε μικρά κτίρια (μονοκατοικίες, μικρές πολυκατοικίες κ.ά.) και να καλύπτουν τις θερμικές τους απαιτήσεις είτε αυτόνομα είτε σε συνδυασμό με κάποιο συμβατικό σύστημα θέρμανσης (π.χ. λέβητα θερμού νερού με καύση πετρελαίου ή φυσικού αερίου). Στην περίπτωση αυτή οι Α.Θ. είναι κατασκευασμένες ώστε να παρέχουν μόνο θέρμανση, δεν αντιστρέφεται δηλαδή ο ψυκτικός κύκλος. Ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση τέτοιων συστημάτων απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή ώστε να συνδυαστούν με ακρίβεια τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τόσο της Α.Θ. όσο και του συμβατικού συστήματος θέρμανσης. 45

54 Σε κεντρικές θερμάνσεις οι Α.Θ. είναι συνήθως του τύπου αέρα/νερού, νερού/νερού ή εδάφους/νερού. Για τη θέρμανση των χώρων εγκαθίστανται είτε κοινά θερμαντικά σώματα (π.χ. τύπου PANEL), είτε σώματα ανεμιστήρα-στοιχείου (Fan-convectors), είτε ενδοδαπέδια θέρμανση. Επειδή οι Α.Θ. παρέχουν θερμό νερό έως 55ºC και λόγω της συμπεριφοράς του συντελεστή αποδοτικότητας, ο οποίος όπως αναφέρθηκε μειώνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας του θερμού νερού που παρέχει η Α.Θ., η ενδοδαπέδια θέρμανση είναι η πλέον κατάλληλη για τα συστήματα αυτά. Εάν χρησιμοποιηθούν κοινά θερμαντικά σώματα, η επιφάνειά τους πρέπει να αυξηθεί ανάλογα με τη θερμοκρασία προσαγωγής και επιστροφής του νερού σε αυτά, ή να εγκατασταθεί αντλία θερμότητας υψηλότερων θερμοκρασιών. Τύποι συστημάτων θέρμανσης με αντλίες θερμότητας Απλά συστήματα με αντλία θερμότητας (Monovalent systems) Στα συστήματα αυτά (εικόνα 3.16) η αντλία θερμότητας παρέχει όλη την απαραίτητη θερμότητα στο δίκτυο θέρμανσης και η ισχύς της πρέπει να είναι ικανή να καλύψει το θερμικό φορτίο του κτιρίου, ακόμη και στη χαμηλότερη θερμοκρασία σχεδιασμού (μέση ελάχιστη εξωτερική θερμοκρασία). Εικόνα 3.16: Διάγραμμα θερμικής ισχύος/θερμικού φορτίου σε απλό σύστημα Α.Θ. (Monovalent system) Συνδυασμένα συστήματα με αντλία θερμότητας (Βivalent systems) Στα συστήματα αυτά ένα τμήμα της θερμότητας παρέχεται στο δίκτυο θέρμανσης από άλλη πηγή (ηλεκτρική αντίσταση, λέβητας πετρελαίου ή αερίου). Υπάρχουν τρεις τύποι συστημάτων με συμπληρωματική πηγή ενέργειας. 46

55 α) Συστήματα με σύγχρονη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας. Στα συστήματα αυτά η αντλία θερμότητας λειτουργεί συνεχώς και όταν η ισχύς της δεν είναι ικανή να καλύψει τις θερμικές απαιτήσεις, τίθεται σε λειτουργία η συμπληρωματική πηγή ενέργειας (εικόνα 3.17). Εικόνα 3.17: Διάγραμμα θερμικής ισχύος/θερμικού φορτίου σε σύστημα με σύγχρονη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας (Simultaneous bivalent system) Εικόνα 3.18: Συνδυασμένο σύστημα θέρμανσης με τετράοδη βάνα ανάμιξης και δοχείο αποθήκευσης 47

56 Εικόνα 3.19: Συνδυασμένο σύστημα θέρμανσης με τετράοδη βάνα ανάμιξης και κλειστό κύκλωμα θερμού νερού μεταξύ του δοχείου αποθήκευσης και αντλίας θερμότητας β) Συστήματα με εναλλασσόμενη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας. Στα συστήματα αυτά η αντλία θερμότητας παρέχει θερμότητα στο σύστημα μέχρις ένα ορισμένο σημείο, το οποίο ονομάζεται σημείο εναλλαγής λειτουργίας (switch over point). Στο σημείο αυτό παύει η λειτουργία της Α.Θ. και αρχίζει να λειτουργεί η συμπληρωματική πηγή ενέργειας (εικόνα 3.20). Το σημείο αλλαγής λειτουργίας συνήθως συμπίπτει με το σημείο ισορροπίας δηλ. το σημείο όπου η θερμική ισχύς της αντλίας θερμότητας είναι ίση με το θερμικό φορτίο του κτιρίου. 48

57 Εικόνα 3.20: Διάγραμμα θερμικής ισχύος/θερμικού φορτίου σε σύστημα με εναλλασσόμενη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας (Alternating bivalent system) Εικόνα 3.21: Συνδυασμένο σύστημα θέρμανσης με τρίοδες βάνες και δοχείο αποθήκευσης 49

58 γ) Συστήματα με σύγχρονη και εναλλασσόμενη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας. Εικόνα 3.22: Διάγραμμα θερμικής ισχύος/θερμικού φορτίου σε σύστημα με σύγχρονη και εναλλασσόμενη λειτουργία της Α.Θ. και της συμπληρωματικής πηγής ενέργειας (Alternating simultaneous system) Τα συστήματα αυτά είναι ένας συνδυασμός των συστημάτων (β) και (γ). Οι θερμικές απαιτήσεις καλύπτονται πότε από την Α.Θ και πότε από τις δύο πηγές θερμότητας και πότε μόνο από τη συμπληρωματική πηγή ενέργειας (εικόνα 3.22) Τα κυριότερα πλεονεκτηματα της θέρμανσης με αντλία θερμότητας είναι: - Οικονομικότερη θέρμανση από τα κλασσικά συστήματα με λέβητα πετρελαίου και φυσικού αεριού. - Δεν χρειάζεται προμήθεια καυσίμων. - Ευελιξία διασύνδεσης και εφαρμογών. - Δυνατότητα αυτονόμησης για διαμερίσματα, με τοποθέτηση της αντλίας θερμότητας στο μπαλκόνι κι έτσι απαλλαγή από τα προβλήματα της ενιαίας κεντρικής θέρμανσης της πολυκατοικίας. - Οι αντλίες θερμότητας δεν χρησιμοποιούν καυστήρα και δεν εμφανίζουν καύση, άρα δεν χρειάζονται ετήσια συντήρηση όπως οι λέβητες πετρελαίου και αεριού. - Αθόρυβη λειτουργία. - Η αντλία θερμότητας μπορεί να τοποθετηθεί εύκολα σε μικρό χώρο. Δεν απαιτείται λεβητοστάσιο, καπνοδόχος, εξαερισμός χώρων και δεξαμενή καυσίμων. Η εγκατάσταση μιας 50

59 αντλίας θερμότητας με πηγή τον αέρα είναι απλή είτε εντός, είτε εκτός του κτηρίου, ενώ για τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας απαιτείται ειδική μελέτη για τον γεωεναλλάκτη. - Προστασία του περιβάλλοντος. Οι αντλίες θερμότητας υψηλής ενεργειακής απόδοσης εντάσσονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. - Οι αντλίες θερμότητας ανήκουν στα ασφαλέστερα συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Δεν εκπέμπουν ρύπους τοπικα και δεν εμφανίζουν φλόγα η άλλες καύσεις εφόσον δεν χρησιμοποιούν πετρελαίου η αέριο, αλλά καθαρή ενέργεια από το περιβάλλον. Τα κυριότερα μειονεκτήματα της θέρμανσης με αντλία θερμότητας είναι: - Υψηλό κόστος κτήσης Πλεονεκτηματα και μειονεκτήματα της ανάλογα με πηγή θερμότητας Αέρας Πλεονεκτηματα : απλή εκμετάλλευση της πηγής θερμότητας δεν απαιτείται έγκριση για την εγκατάσταση μικρές απαιτήσεις χώρου Μειονεκτήματα : συντελεστής αποδοτικότητας/ισχύς εξαρτώνται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος πιθανή δημιουργία θορύβων δημιουργία πάγου σε θερμοκρασίες<2 C Οι αντλίες θερμότητας αερα-αερα θερμαίνουν μόνο τον αερα του χώρου, ενώ η θερμοκρασία επιφάνειας των δομικών στοιχείων παραμένει σημαντικά χαμηλότερη μειώνοντας την αίσθηση θερμικής άνεσης. Έτσι μετά από την διακοπή λειτουργιάς του έχουμε γρήγορη απαγωγή της θερμότητας. Νερό Πλεονεκτηματα : υψηλό θερμοκρασιακό επίπεδο (10-20 C) αποδοτική λειτουργία Μειονεκτήματα : υψηλό κόστος επένδυσης 51

60 απαραίτητη έγκριση εγκατάστασης έλεγχος ποιότητας νερού απαιτείται σταθερή παροχή νερού για μεγάλο χρονικό διάστημα Έδαφος Πλεονεκτηματα : καλό θερμοκρασιακό επίπεδο αποδοτική λειτουργία Μειονεκτήματα : υψηλό κόστος επένδυσης απαραίτητη έγκριση για την εγκατάσταση για οριζόντιο γεωεναλλάκτη δέσμευση γης 52

61 4. ΚΤΗΡΙΟ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ 4.1. Περιγραφή του κτηρίου Το κτήριο που θα χρησιμοποιηθεί ως μοντέλο για τη σύγκριση των συστημάτων θέρμανσης είναι ένα τυπικό κτήριο κατοικιών τριών ορόφων στη Θεσσαλονίκη, με δύο διαμερίσματα ανά όροφο, ισόγειο χώρο όπου βρίσκονται η είσοδος της πολυκατοικίας, το λεβητοστάσιο και ο ημιυπαίθριος χώρος στάθμευσης (πυλωτή). Οι όροφοι είναι όμοιοι μεταξύ τους, ενώ η οροφή του κτιρίου έχει τυπική μορφή δώματος. Κάθε ένα από τα έξι διαμερίσματα (δύο ανά όροφο) έχει καθαρό εμβαδόν περίπου 103 m 2, και αποτελείται από δύο υπνοδωμάτια, ένα μπάνιο, μια κουζίνα και ένα σαλόνι. Οι χώροι του κλιμακοστασίου και του φρεατίου του ανελκυστήρα δεν έρχονται σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον κατά την οριζόντια διεύθυνση. Η είσοδος της πολυκατοικίας και τo κλιμακοστάσιο δεν θερμαίνονται, ενώ η καθαρή κατοικήσιμη επιφάνεια του κτηρίου είναι 619 m 2 και ο αντίστοιχος καθαρός όγκος 1640 m 3. Η μόνωση του κτηρίου θεωρείται ότι έχει γίνει σύμφωνα με τον Κανονισμό Θερμομόνωσης Κτηρίων (Κ.Θ.Κ.), σύμφωνα με τον οποίο κτίστηκε ένας μεγάλος αριθμός κτηρίων μετά το 1979, οπότε άρχισε η εφαρμογή του. Στην εικόνα 4.1. φαίνονται οι κατόψεις ισογείου, τυπικού ορόφου και δώματος κτηρίου διαμερισμάτων. Εικόνα 4.1: Κατόψεις ισογείου, τυπικού ορόφου και δώματος κτηρίου διαμερισμάτων 53

62 54

63 Στοιχεία του κτηρίου Πόλη: Θεσσαλονίκη. Σύστημα δόμησης: Από παντού ελεύθερο. Μάζα κτιρίου: Μεγάλη. Θέση κτηρίου: Προάστια μεγαλούπολης. Όροφοι: 3 τυπικοί όροφοι - Ισόγειο Ύψος ορόφων: 2.80 m (καθαρό ύψος 2.65 m + πάχος πλάκας 0.15 m) Στοιχεία υπολογισμού χειμερινής λειτουργίας: Εσωτερική θερμοκρασία: 20 C (σε όλους τους χώρους), 22 C (στα μπάνια). Οι χώροι του κλιμακοστασίου και του λεβητοστασίου είναι μη θερμαινόμενοι. Εξωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού θ e : -2 C και Μέση ετήσια εξωτερική θερμοκρασία θ me : 15.8 C. [14] Ελάχιστη απαιτούμενη ανανέωση αέρα χώρων: n min = 0.5 ανανεώσεις του όγκου του χώρου ανά ώρα. Ελάχιστη απαιτούμενη ανανέωση αέρα στα μπάνια: n min = 1.5 ανανεώσεις του όγκου του χώρου ανά ώρα. Η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της νύχτας να θεωρηθεί ότι ρυθμίζεται στους 18 C για 8 ώρες και ότι η χρονική διάρκεια αναθέρμανσης είναι t RH = 2 h Δομικά στοιχεία Η οροφή του κτηρίου είναι της μορφής επιπέδου δώματος και αποτελείται διαδοχικά από το εσωτερικό επίχρισμα (2 cm), την πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος (μπετόν) (15 cm), τη θερμική μόνωση (6 cm), κισσηρόδεμα (12 cm), το ασβεστοτσιμεντοκονίαμα (2 cm) και τις τσιμεντόπλακες δαπέδου (3 cm). Το δάπεδο του 1 ου ορόφου, έρχεται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα της πυλωτής και αποτελείται από κεραμικά πλακίδια δαπέδου (1 cm), το ασβεστο-τσιμεντοκονίαμα (2 cm), γαρμπιλοσκυρόδεμα (6 cm),την πλάκα του οπλισμένου σκυροδέματος (μπετόν) (15 cm), τη θερμική μόνωση (7 cm) και το εξωτερικό επίχρισμα (2 cm). Η τοιχοποιία του κτηρίου είναι δικέλυφη, και τα τούβλα που χρησιμοποιούνται έχουν διατομή 9 x 6 cm. Αποτελείται διαδοχικά από το εσωτερικό επίχρισμα (2 cm), την δρομική τοιχοποιία (τούβλο) (9 cm), τη θερμική μόνωση (4 cm), την ορθοδρομική τοιχοποιία (τούβλο) (6 cm) και το εξωτερικό επίχρισμα (2cm). Η τοιχοποιία που έρχεται σε επαφή με τον εσωτερικό αέρα μη-κλιματιζόμενων χώρων, όπως το κλιμακοστάσιο και το φρεάτιο του ανελκυστήρα, είναι δρομική με τούβλο διατομής 9 x 6 cm. Αποτελείται από το εσωτερικό επίχρισμα (2 cm), τη θερμική μόνωση (4 cm), την δρομική τοιχοποιία (τούβλο) (9 cm) και το εξωτερικό επίχρισμα (2 cm). 55

64 Οι περιοχές σκυροδέματος (τα δοκάρια και οι κολώνες) του κτηρίου αποτελούνται από οπλισμένο σκυρόδεμα (μπετόv) διατομής 30 x 30 cm, το εσωτερικό και εξωτερικό επίχρισμα (2 cm) και τη θερμική μόνωση (5 cm) στην εξωτερική πλευρά του σκυροδέματος. Παρατήρηση: Οι περιοχές σκυροδέματος που έρχονται σε επαφή με τον εσωτερικό αέρα μη-κλιματιζόμενων χώρων θα έχουν διατομή ίδια με την παραπάνω, αλλά μικρότερο πάχος μόνωσης. Το ίδιο ισχύει και για εκείνες που έρχονται σε επαφή με το γειτονικό κλιματιζόμενο διαμέρισμα σε κάθε όροφο. Οι εξωτερικές θύρες (μπαλκονόπορτες) και τα παράθυρα είναι από διπλό υαλοπίνακα με διάκενο 6 mm, κανονικό γυαλί, περιστρεφόμενες και στεγανές με συντελεστή θερμοπερατότητας U=3.5 W/m 2 K Θερμομόνωση του κτηρίου Για τον υπολογισμό των φορτίων, έπρεπε πρώτα να υπολογιστούν οι συντελεστές θερμοπερατότητας των δομικών στοιχείων του κτηρίου, καθώς και να γίνει έλεγχος για το αν ικανοποιούνται τα όρια που θεσπίζονται από τον Κ.Θ.Κ. στις αντίστοιχες περιπτώσεις. Το πάχος της μόνωσης για κάθε ένα από τα δομικά στοιχεία του κτηρίου επιλέχθηκε τέτοιο ώστε να καλύπτονται τα όρια αυτά όπως δίνονται στον πίνακα 4.1. για τον Κ.Θ.Κ. Το μονωτικό υλικό που χρησιμοποιείται είναι πολυστερίνη με θερμική αγωγιμότητα λ = 0,03 W/mK. Οι θερμικές αγωγιμότητες των δομικών υλικών που χρησιμοποιούνται δίνονται στον πίνακα 4.2. : Πίνακας 4.1: Όρια συντελεστών θερμοπερατότητας, Κ i (Κ.Θ.Κ) ) [W/m 2 K] 56

65 Πίνακας 4.2: Θερμική αγωγιμότητα, λ των δομικών στοιχείων του κτηρίου (T.O.T.E.E ) [W/mK] [15] Δομικό Στοιχειό Θερμική Αγωγιμότητα λ [W / mk] Επίχρισμα 0,87 Τούβλο 0,45 Σκυρόδεμα 2,5 Ασβεστοτσιμεντοκονίαμα 0,87 Μαρμάρινες πλάκες 3,5 Τσιμεντόπλακες 0,9 Κισσηρόδεμα 0,35 Γαρμπιλοσκυρόδεμα 0,64 Κεραμ. πλακίδια δαπέδου 1,84 Μωσαϊκό 1,2 Μόνωση (πολυστερίνη) 0,03 Ο υπολογισμός του συντελεστή θερμοπερατότητας κάθε δομικού στοιχείου, αναλυτικά, παρατίθεται στους πίνακες 4.3. έως 4.9.: Πίνακας 4.3: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας οροφής, U D [W/m 2 K] Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας εσωτ. επίχρισμα μπετόν μόνωση κισσηρόδεμα ασβτσ/νίαμα τσιμεντόπλακες εξωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U D < 0,465 Ο Ρ Ο Φ Η R ολ = U D = 1 / R ολ =

66 Πίνακας 4.4: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας δαπέδου, U DL [W/m 2 K] Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας κεραμ. πλ. δαπ ασβτσ/νίαμα γαρμπιλοσκ/μα μπετόν μόνωση επίχρισμα εξωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U DL < 0,465 Δ Α Π Ε Δ Ο (προς πυλωτή) R ολ = U DL = 1 / R ολ = Πίνακας 4.5: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας δαπέδου προς εσωτερικούς μηκλιματιζόμενους χώρους, U G [W/m 2 K] Δ Α Π Ε Δ Ο (προς εσωτ. μη-κλιματιζόμ. χώρους) Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας κεραμ. πλ. δαπ ασβτσ/νίαμα γαρμπιλοσκ/μα μπετόν μόνωση εξωτ. επίχρισμα εσωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U G < 0,7 R ολ = U G = 1 / R ολ =

67 Πίνακας 4.6: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας τοιχοποιίας, U W [W/m 2 K] Τ Ο Ι Χ Ο Π Ο Ι Ε Ι Α (προς εξωτ. περιβάλλον) Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας εσωτ. επίχρισμα δρομική τοιχοπ μόνωση ορθοδρομ. τοιχ εξωτ. επίχρισμα εξωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U W < 0,7 R ολ = U W = 1 / R ολ = Πίνακας 4.7: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας τοιχοποιίας προς εσωτερικούς μηκλιματιζόμενους χώρους, U WE [W/m 2 K] Τ Ο Ι Χ Ο Π Ο Ι Ε Ι Α (προς εσωτ. μη-κλιματιζόμ. χώρους) Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας εσωτ. επίχρισμα δρομική τοιχοπ μόνωση εξωτ. επίχρισμα εσωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U WE < 0,7 R ολ = U WE = 1 / R ολ =

68 Πίνακας 4.8: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας περιοχής σκυροδέματος, U W [W/m 2 K] Δ Ο Κ Α Ρ Ι Α + Κ Ο Λ Ω Ν Ε Σ (προς εξωτ. περιβάλλον.) Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας εσωτ. επίχρισμα μόνωση μπετόν εξωτ. επίχρισμα εξωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U W < 0,7 R ολ = U W = 1 / R ολ = Πίνακας 4.9: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας περιοχής σκυροδέματος προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους, U WE [W/m 2 K] ΔΟΚΑΡΙΑ+ΚΟΛΩΝΕΣ (προς εσωτ. μη-κλιματιζόμ. χώρους) Δομικό Στοιχείο Πάχος Θερμ.Αγωγιμ. Θερμική Αντίσταση d [ m ] λ [ W / mk ] R=d/λ [ m 2 K / W ] εσωτ. αέρας εσωτ. επίχρισμα μόνωση μπετόν εξωτ. επίχρισμα εσωτ. αέρας όριο Κ.Θ.Κ : U WE < 0,7 R ολ = U WE = 1 / R ολ = Υπολογισμός του μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας του κτηρίου Km Λαμβάνεται υπ όψιν ολόκληρο το κέλυφος του κτηρίου, απ όπου μπορεί να υπάρχουν απώλειες θερμότητας από τους κλιματιζόμενους χώρους προς χώρους διαφορετικής θερμοκρασίας (προς το εξωτερικό περιβάλλον και προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους). Επομένως λαμβάνονται όλες οι επιφάνειες που έρχονται σε επαφή με αέρα διαφορετικής θερμοκρασίας. Ο μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας του κτηρίου για Κ.Θ.Κ., U m, δίνεται από τη σχέση: 60

69 U m A k i F i i i [ W / m 2 K ] ( 1 ) όπου: Α i = η επιφάνεια του δομικού στοιχείου i, εκφρασμένη σε [ m 2 ] U i = ο συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου i, εκφρασμένος σε [ W / m 2 K ] τ i = ο συντελεστής που σχετίζεται με το είδος του χώρου που εφάπτεται στο εξωτερικό μέρος της επιφάνειας F i Το όριο που ορίζει ο Κ.Θ.Κ. λαμβάνεται από κατάλληλο διάγραμμα συναρτήσει της κλιματικής ζώνης και του μεγέθους F / V, όπου F η συνολική επιφάνεια του κτηρίου σε επαφή με αέρα διαφορετικής θερμοκρασίας και V ο συνολικός όγκος των κλιματιζόμενων χώρων κατοικίας απ όπου υπάρχουν απώλειες, όπως δίνονται στο διάγραμμα 4.1. : Διάγραμμα 4.1: Όρια μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας, Κ m [16] Παρατήρηση: Στο σημείο αυτό διευκρινίζεται ότι θα γίνει η παραδοχή ότι η θερμοκρασία των δομικών στοιχείων είναι περίπου ίση με την θερμοκρασία του εσωτερικού κλιματιζόμενου χώρου. Επομένως η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας του εσωτερικού χώρου με το εξωτερικό περιβάλλον (ή κάποιον μη-κλιματιζόμενο χώρο) είναι η εξωτερική επιφάνεια του δομικού στοιχείου. Ο υπολογισμός του μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας του κτηρίου, U m, παρατίθεται στον πίνακα

70 Πίνακας 4.10: Υπολογισμός του μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας του κτηρίου, U m Δομικό στοιχείο Επιφάνεια ανά προσανατολισμό [ m 2 ] Συνολική Επιφάνεια Συντελεστής Θερμοπερατότητας Συντελε στής Γινόμενο Β Ν Α Δ F i [ m 2 ] k i [ W / m 2 K ] τ i F i * k i * τ i Οροφή Δάπεδο προς πυλωτή Δάπεδο προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους Τοιχοποιεία προς εξωτ.αέρα Τοιχοποιεία προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους Σκυρόδεμα προς εξωτ.αέρα Σκυρόδεμα προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους Ανοίγματα προς εξωτ.αέρα Ανοίγματα προς εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους Σύνολο Μέσος Συντελεστής Θερμοπερατότητας του κτιρίου K m = [ W / m 2 K ] Στο λόγο F / V έχουμε : Επιφάνεια : A A A A A 1 A A 0, 5 i,, i [ m 2 ] ( 3 ) όπου: Α εξ Α ορ = το συνολικό εμβαδόν των κατακόρυφων επιφανειών του κελύφους του κτηρίου, εκφρασμένο σε [ m 2 ] = η συνολική επιφάνεια της οροφής του κτηρίου, με εξαίρεση το τμήμα που αντιστοιχεί στο κλιμακοστάσιο, εκφρασμένη σε [ m 2 ] Α δαπ,εξ = η συνολική επιφάνεια του δαπέδου πάνω από το ισόγειο, που έρχεται σε επαφή με τον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος, εκφρασμένη σε [ m 2 ] Α εσ = το συνολικό εμβαδόν των κατακόρυφων επιφανειών του κτηρίου που έρχονται σε επαφή με τον εσωτερικό μη-κλιματιζόμενο χώρο του κλιμακοστασίου, εκφρασμένο σε [ m 2 ] Α δαπ,εσ = η συνολική επιφάνεια του δαπέδου πάνω από το ισόγειο, που έρχεται σε επαφή με τους εσωτερικούς μη-κλιματιζόμενους χώρους των αποθηκών και του λεβητοστασίου, εκφρασμένη σε [ m 2 ] Όγκος : 62

71 V = V ολ V κλ [ m 3 ] ( 4 ) όπου: V ολ = ο συνολικός όγκος των 3 ορόφων του κτηρίου, [ m 3 ] V κλ = ο όγκος του χώρου του κλιμακοστασίου στους 3 ορόφους του κτηρίου, [ m 3 ] Και τελικά ο λόγος : F / V = 0.59 [ m -1 ] Επομένως, για F/V = 0.59 και για την Γ κλιματική ζώνη (Θεσσαλονίκη), το όριο του μέσου συντελεστή θερμοπερατότητας που ορίζει ο Κ.Θ.Κ. είναι: U m 0.74 W / m 2 K, άρα αποδεκτό Υπολογισμός των θερμικών φορτίων του κτηρίου κατά ΕΛΟΤ ΕΝ ISO [17] Γενικά Οι θερμικές ανάγκες ενός χώρου και γενικότερα ενός κτηρίου 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 κτηρίου 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 και είναι ανεξάρτητες από το σύστημα θέρμανσης που θα εγκατασταθεί. Εξαρτώνται από το μέγεθος του χώρου, τον τρόπο κατασκευής των τοίχων, το μέγεθος και το υλικό κατασκευής των ανοιγμάτων από τον αερισμό και από άλλους παράγοντες. Ο υπολογισμός των θερμικών αναγκών γίνεται για κάθε χώρο του κτηρίου ξεχωριστά, για να μπορεί να προσδιορισθεί το μέγεθος των θερμαντικών σωμάτων του κάθε χώρου. Το σύνολο των θερμικών αναγκών του κτηρίου προκύπτει από το άθροισμα των θερμικών αναγκών όλων των χώρων που θερμαίνονται. Η μεθοδολογία του υπολογισμού των θερμικών αναγκών βασίζεται στους νόμους της μετάδοσης θερμότητας. Ο υπολογισμός των θερμικών απωλειών γίνεται για μόνιμη κατάσταση θέρμανσης, δηλαδή παραδεχόμαστε ότι όλα τα μεγέθη που υπεισέρχονται στους υπολογισμούς παραμένουν σταθερά με το χρόνο. 63

72 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 κτηρίου, το βαθμό προστασίας του στην ανεμόπτωση, το ύψος καθώς και τη στεγανότητα των ανοιγμάτων (θυρών, παραθύρων). Οι τιμές που προκύπτουν από τον υπολογισμό των θερμικών απωλειών με τη βοήθεια του κανονισμού (κανονικές θερμικές ανάγκες) εξασφαλίζουν μια επαρκή εγκατάσταση θέρμανσης, επειδή λαμβάνονται υπόψη οι ελάχιστες εξωτερικές θερμοκρασίες, οι ταχύτητες των πιο συχνών ανέμων κατά τη διάρκεια του χειμώνα, η θερμοχωρητικότητα του κτηρίου, η στεγανότητα των παραθύρων κλπ. Προφανώς κατά την κατασκευή του κτηρίου θα πρέπει να δίνεται προσοχή, ώστε να εξασφαλίζονται οι τιμές των μεγεθών που λήφθηκαν υπόψη στους υπολογισμούς Σύμβολα και μονάδες Τα μεγέθη υπολογισμού με τους αντίστοιχους συμβολισμούς και τις αντίστοιχες μονάδες μέτρησης δίνονται στον Πίνακα Πίνακας 4.11: Σύμβολα και μονάδες μέτρησης μεγεθών. Σύμβολο Ονομασία Μονάδα a,b,c,f Συντελεστές διόρθωσης - A Εμβαδόν m 2 B Χαρακτηριστική παράμετρος m c Ειδική θερμότητα υπό p σταθερή πίεση d πάχος m e Συντελεστής προστασίας - i e k, e i Διορθωτικοί παράγοντες για εξωτερική περιβάλλουσα επιφάνεια G Διορθωτικός παράγοντας για w υπόγεια νερά h Συντελεστής συναγωγής επιφάνειας 64 J/(Kg K) - - W/(m 2 K)

73 H Συντελεστής θερμικής απώλειας, Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας I μήκος m n Ρυθμός ανανέωσης εξωτερικού αέρα n Ρυθμός ανανέωσης αέρα λόγω 50 διαφοράς πίεσης 50 Pa μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού του κτηρίου P Περίμετρος της πλάκας δαπέδου m Q Ποσό θερμότητας, ποσό ενέργειας J T Θερμοδυναμική θερμοκρασία σε Kelvin W/K U Συντελεστής θερμοπερατότητας W/(m 2 K) ν Ταχύτητα ανέμου m / s V Όγκος Σύμβολο Ονομασία Μονάδα V Παροχή αέρα m 3 / s ε Διορθωτικός παράγοντας ύψους - Φ Θερμική απώλεια, θερμική ισχύς W Φ HL Θερμικό φορτίο W n απόδοση % λ Θερμική αγωγιμότητα W/(m K) θ Θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου ºC ρ Πυκνότητα του αέρα για εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού. h 1 h 1 Κ m 3 Kg /m 3 Ψ Γραμμική μεταφορά θερμότητας W/( m K) 3 m 65

74 Δείκτες Όλοι οι δείκτες των μεγεθών που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό θερμικών φορτίων φαίνονται στον Πίνακα Πίνακας 4.12: Δείκτες. a :αέρας h :ύψος o :ενεργός A :ανεξάρτητη κατοικία inf :διείσδυση μέσω r :μέση ακτινοβολία σε σειρά κατοικιών αρμών B :κτήριο int :εσωτερικός RH :αναθέρμανση bf :πάτωμα υπογείου ij :θερμαινόμενος su :παροχή χώρος bw :τοίχος υπογείου k :δομικό στοιχείο T :μεταφορά e :εξωτερικός, εξωτερικό περιβάλλον I :θερμογέφυρα tb :τύπος κτηρίου env :περίβλημα m :μέσος ετήσιος u :μη θερμαινόμενος χώρος equiv :ισοδύναμος mech :μηχανικός V :αερισμός ex :εξαερισμός min :ελάχιστος Δθ :υψηλότερη εσωτερική θερμοκρασία g :έδαφος nat :φυσικός W :νερό, παράθυρο/ τοίχος Μεθοδολογία υπολογισμού Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Οι θερμικές απώλειες σχεδιασμού λόγω μεταφοράς για τον θερμαινόμενο χώρο ( i ) είναι: F = ( H + H + H + H ) Χ( q - q ) [W] (5) T, i T, ie T, iue T, ig T, ij int, i e όπου : H T,ie = ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) στο εξωτερικό περιβάλλον (e), διαμέσου της εξωτερικής περιβάλλουσας επιφάνειας, [W / K] 66

75 H T,iue = ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) στο εξωτερικό περιβάλλον ( e ), διαμέσου ενός μη θερμαινόμενου χώρου (u), [W / K] H T,ig = ο συντελεστής θερμικών απωλειών υπό σταθερή κατάσταση, από τον θερμαινόμενο χώρο (i) στο έδαφος ( g ), [W / K],στην περίπτωση μας αυτό δεν το υπολογίζουμε, διότι δεν υπάρχει κανένας χώρος διαμερίσματος σε επαφή με το έδαφος. H T,ij = ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) σε έναν γειτονικό (j) θερμαινόμενο χώρο, που έχει μια σημαντικά διαφορετική θερμοκρασία, [ W / K] Παρακάτω παρατίθεται ο τρόπος υπολογισμού για τον κάθε ένα από τους συντελεστές που θα χρησιμοποιήσουμε στη συνέχεια: α) Ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) στο εξωτερικό περιβάλλον (e) δίνεται από την εξίσωση: H T,ie = k A. K U. K e k + i Ψ.. ι Ιι e i σε [W/K] (6) (οφείλεται σε όλα τα δομικά στοιχεία και τις γραμμικές θερμογέφυρες που χωρίζουν το θερμαινόμενο χώρο από το εξωτερικό περιβάλλον π.χ. τοίχους, δοκούς, υποστηλώματα, πατώματα, εξωτερικές οροφές, παράθυρα) Α k = το εμβαδόν του δομικού στοιχείου (k) σε [m 2 ] e k, e i =επειδή δεν καθορίζονται σε εθνικά πρότυπα μπορούν να τεθούν ως e k = 1 και e i =1. U k = ο συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου (k), σε [W/m 2 K] Ι i = το μήκος της γραμμικής θερμογέφυρας μεταξύ του εσωτερικού χώρου και του εξωτερικού περιβάλλοντος, σε [m] Y = ο γραμμικός συντελεστής θερμοπερατότητας της γραμμικής θερμογέφυρας σε [W/mK] i Επειδή οι δυο τελευταίοι συντελεστές είναι πολύ δύσκολο να εκτιμηθούν ή να υπολογιστούν ο αναλυτικός υπολογισμός των γραμμικών θερμογεφυρών μπορεί να αντικατασταθεί από μία απλουστευμένη προσέγγιση: U c = U k + ΔU tb [W/ m 2 K] (7) όπου : 67

76 U c = ο διορθωμένος συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη και τις γραμμικές θερμογέφυρες, σε [W/ m 2 K] U k = ο συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου (k), σε [W/ m 2 K] Δ U tb = ο συντελεστής διόρθωσης που εξαρτάται από τον τύπο του δομικού στοιχείου, σε [W/ m 2 K]. Ο συντελεστής διόρθωσης λόγω θερμογεφυρών εξωτερικών τοίχων, δοκών κ.τ.λ. είναι πίνακες: Δ U tb = 0.15 [W/ m 2 K]. Για τις υπόλοιπες περιπτώσεις δίνεται από τους παρακάτω Δ U Πίνακας 4.13: Τιμές του συντελεστή διόρθωση παράθυρα-θύρες tb, για δάπεδα και οροφές και για Αριθμός πλευρών σε Συντελεστής διόρθωσης Επιφάνεια Συντελεστής διόρθωσης επαφή με τον εξωτερικό αέρα Δ U tb σε [W/ m 2 K] ανοίγματος Δ U tb σε [W/ m 2 K] m >2 4 m >4 9 m >9 20 m >20 m Άρα τελικά η σχέση (6) θα πάρει τη μορφή: H T, ie A. U. e c k k β) Εάν μεταξύ του θερμαινόμενου χώρου (i) και του εξωτερικού περιβάλλοντος (e) παρεμβάλλεται ένας μη θερμαινόμενος χώρος (u), ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) στο εξωτερικό περιβάλλον (e) δίνεται από την εξίσωση: H T,iue = k A. K U. K b u + i Ψ.. i li b u [W/K] (8) όπου : 68

77 b u = παράγοντας μείωσης της θερμοκρασίας, που λαμβάνει υπόψη τη διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του μη θερμαινόμενου χώρου θ u και της εξωτερικής θερμοκρασίας σχεδιασμού. Ο παράγοντας μείωσης θερμοκρασίας b u είναι: θ - Εάν η θερμοκρασία του μη θερμαινόμενου χώρου u σε συνθήκες σχεδιασμού είναι δεδομένη ή υπολογίζεται, ο παράγοντας θ int, i - θ u b u = b θ δίνεται από τη σχέση: int, i - θ e u θ - Εάν η θερμοκρασία του μη θερμαινόμενου χώρου u δεν είναι γνωστή, οι τιμές του παράγοντα b u δίνονται από τον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 4.14: Τιμές για τον παράγοντα μείωσης της θερμοκρασίας. Μη θερμαινόμενος χώρος Δωμάτιο Με ένα μόνο εξωτερικό τοίχο Με δυο τουλάχιστον εξωτερικούς τοίχους χωρίς εξωτερικές πόρτες Με δυο τουλάχιστον εξωτερικούς τοίχους με εξωτερικές πόρτες Με τρεις τουλάχιστον εξωτερικούς τοίχους ( π.χ. εξωτερική σκάλα ) Υπόγειο Χωρίς παράθυρα / εξωτερικές πόρτες Με παράθυρα / εξωτερικές πόρτες Χώρος στέγης Στέγη χωρίς θερμική μόνωση Στέγη με θερμική μόνωση b u Περιοχές εσωτερικής κυκλοφορίας (χωρίς εξωτερικούς τοίχους, ανανέωση αέρα μικρότερη από 0.5 h-1) 0 Για τους ίδιους λόγους απλούστευσης του υπολογισμού γραμμικών θερμογεφυρών η σχέση (8) γίνεται: H T, iue A. U. b k c u 69

78 γ) Ο συντελεστής θερμικών απωλειών από τον θερμαινόμενο χώρο (i) σε έναν γειτονικό (j) θερμαινόμενο χώρο δίνεται από τη σχέση: H T,ij = k f ij A K U K [W/K] (9) όπου: f ij = παράγοντας μείωσης θερμοκρασίας που λαμβάνει υπόψη τη διαφορά μεταξύ θερμοκρασίας του παρακείμενου χώρου θ e. θ h και της εξωτερικής θερμοκρασίας σχεδιασμού Υπολογίζεται από τη σχέση : f ij = θ θ int, i int, i - θ - θ h e θ h = η θερμοκρασία των παρακείμενων θερμαινόμενων χώρων σε [ºC] Α k = το εμβαδόν του δομικού στοιχείου (k) που χωρίζει τους δύο χώρους, σε [m 2 ] U k = συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου (k), σε [W / m 2 K ] Οι επιδράσεις των θερμογεφυρών δεν λαμβάνονται υπόψη σε αυτόν τον υπολογισμό. Θερμικές απώλειες λόγω αερισμού Οι θερμικές απώλειες λόγω αερισμού για τον θερμαινόμενο χώρο (i) υπολογίζονται ως εξής: Φ V,i = H V,i (θ int, i - θ. e ) [W] (8) όπου: Η V,i = συντελεστής θερμικών απωλειών σχεδιασμού λόγω αερισμού σε [W/K] θ int, i = η εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού σε [ºC] θ e = η εξωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού σε [ºC] Ο συντελεστής θερμικών απωλειών σχεδιασμού λόγω αερισμού είναι: H V,i. = V ρ c. i p [W/K] (9) όπου: V i = ο ρυθμός ανανέωσης του αέρα του θερμαινόμενου χώρου ( i ) σε [m 3 / sec] ρ = η πυκνότητα του αέρα σε [Kg / m3] (=1.2 Kg / m 3 ) c p = ο συντελεστής θερμοχωρητικότητας του αέρα σε [J/kgK] (=1000 J/kgK) 70

79 Υποθέτοντας σταθερή την πυκνότητα και τη θερμοχωρητικότητα του αέρα προκύπτει : Η V,i V = 0.34 i V όπου το i εδώ δίνεται σε [m 3 / h]. Επομένως η σχέση (8) γίνεται:. Φ = 0.34 V. V,i i (θ int, i - θ e ) [W] (10) Με το V i σε [m 3 / h]. Η διαδικασία υπολογισμού του ρυθμού ανανέωσης του αέρα V i, εξαρτάται από το πώς ανανεώνεται ο αέρας του χώρου π.χ. με ή χωρίς σύστημα εξαερισμού. Στην περίπτωση μας έχουμε ανανέωση αέρα χωρίς σύστημα εξαερισμού και υποτίθεται ότι ο παρεχόμενος αέρας έχει τα θερμικά χαρακτηριστικά του εξωτερικού αέρα. Επομένως η απώλεια θερμότητας είναι ανάλογη προς τη διαφορά μεταξύ της εσωτερικής θερμοκρασίας σχεδιασμού εξωτερικής θερμοκρασίας του αέρα θ int, i e. Η τιμή του ρυθμού ανανέωσης αέρα V i και της θερμαινόμενου χώρου (i), που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του συντελεστή θερμικών απωλειών λόγω αερισμού Η V,i ενός V, είναι το μέγιστο του ρυθμού ροής αέρα μέσω αρμών ( inf, i ) ή ρωγμών της περιβάλλουσας επιφάνειας του κτηρίου, και του ελάχιστου ρυθμού ανανέωσης V αέρα ( min, i ) που απαιτείται για λόγους υγιεινής : (11) V = max( V i inf, i, V min, i ) Οι τιμές των V min, i και inf, i V υπολογίζονται ως εξής:. V min, i = n min Vi [m 3 /h] (12) όπου: n min = ελάχιστη ανανέωση εξωτερικού αέρα ανά ώρα σε [h -1 ] V i = ο όγκος του θερμαινόμενου χώρου (i) σε m3, που υπολογίζεται σύμφωνα με τις εσωτερικές διαστάσεις. Η ελάχιστη ανανέωση του εξωτερικού αέρα στην περίπτωση μας είναι ανανεώσεις του όγκου του χώρου ανά ώρα. Ο ρυθμός ροής αέρα μέσω αρμών του θερμαινόμενου χώρου δίνεται από τη σχέση n min =0,5 V inf, i = 2V. i n. 50 e. i ε i [m 3 /h] (13) όπου: 71

80 V i = ο όγκος του θερμαινόμενου χώρου (i) σε m3, που υπολογίζεται σύμφωνα με τις εσωτερικές διαστάσεις. n 50 = ρυθμός εναλλαγής αέρα, ως αποτέλεσμα μιας διαφοράς πίεσης των 50 Pα μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κτηρίου σε [h -1 ], (δίνεται σε παρακάτω πίνακα). Στην n περίπτωση μας επιλέγεται η συνιστώμενη τιμή 50 διπλούς υαλοπίνακες με κανονική στεγανότητα. =4, διότι έχουμε πολυκατοικία με μέσους ε i = συντελεστής διόρθωσης ύψους, ο οποίος λαμβάνει υπόψη την αύξηση στην ταχύτητα αέρα με το ύψος του χώρου από το επίπεδο του εδάφους, (δίνεται σε παρακάτω πίνακα). Στην περίπτωση μας επιλέγεται ε=1, διότι δεν υπάρχει θερμαινόμενος χώρος σε ύψος πάνω από 10 μέτρα. e i = συντελεστής προστασίας, (δίνεται σε παρακάτω πίνακα). Στην περίπτωση μας πρόκειται για πολυκατοικία με μέτρια προστασία (κτήρια στην ύπαιθρο με δέντρα ή άλλα κτήρια γύρω τους, προάστια) και επειδή όλοι οι θερμαινόμενοι χώροι έχουν μόνο ένα εκτεθειμένο άνοιγμα, επιλέγουμε τη τιμή e=0,02 n Πίνακας 4.15: Ρυθμός εναλλαγής αέρα 50 μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κτηρίου σε [h -1 ], ως αποτέλεσμα μιας διαφοράς πίεσης των 50 Pα Κατασκευή n 50 [h -1 ] Βαθμός στεγανότητας του περιβλήματος του κτηρίου Υψηλός (υψηλή ποιότητα στεγανότητας παραθύρων και θυρών) ( ποιότητα στεγανοποίησης παραθύρου ) (συν. = η συνιστώμενη τιμή) Μέσος (διπλοί υαλοπίνακες κανονική στεγανότητα) Χαμηλός ( μονοί υαλοπίνακες καμία στεγανότητα ) Μονοκατοικία <4 (συν. 3) 4 10 (συν. 6) >10 (συν. 10) Άλλες κατοικίες ή κτίρια <2 (συν. 2) 2 5 (συν. 4) >5 (συν. 6) 72

81 Πίνακας 4.16: Τιμές του διορθωτικού παράγοντα ύψους, ε. Ύψος θερμαινόμενου χώρου επάνω από το επίπεδο του εδάφους ε 0-10m 1.0 >10-20 m 1.2 >20-30 m 1.5 >30m 1.7 Πίνακας 4.17: Τιμές του συντελεστή προστασίας, e. e Κατηγορία προστασίας Καμία προστασία (κτήρια σε περιοχές με ανέμους, ψηλά κτήρια στα κέντρα πόλεων) Μέτρια προστασία (κτήρια στην ύπαιθρο με δέντρα ή άλλα κτήρια γύρω τους, προάστια) Μεγάλη προστασία (κτήρια μέσου ύψους στα κέντρα πόλεων, κτήρια σε δάση) Θερμαινόμενος Θερμαινόμενος Θερμαινόμενος χώρος με χώρος χωρίς χώρος με ένα περισσότερα εκτεθειμένα εκτεθειμένο εκτεθειμένα ανοίγματα άνοιγμα ανοίγματα Περιοδικά θερμαινόμενοι χώροι Στους περιοδικά θερμαινόμενους χώρους πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μία επιπλέον θερμική ισχύς στα θερμικά φορτία, ώστε να επιτυγχάνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα η επιθυμητή θερμοκρασία, μετά από τη διακοπή λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης ή τη ρύθμιση σε χαμηλότερη θερμοκρασία (setback). Η επιπλέον θερμική ισχύς εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες, όπως τη θερμοχωρητικότητα των δομικών στοιχείων, το 73

82 χρόνο αναθέρμανσης, την πτώση θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια setback (ρύθμιση σε χαμηλότερη θερμοκρασία), τα χαρακτηριστικά του συστήματος ελέγχου. Η επιπλέον θερμική ισχύς που απαιτείται για να αντισταθμίσει τα αποτελέσματα της διακοπτόμενης θέρμανσης, σε ένα θερμαινόμενο χώρο ( i ) υπολογίζεται ως εξής : Φ RH,i = A. i frh [W] (14) όπου: Α i = το εμβαδόν δαπέδου του θερμαινόμενου χώρου ( i ), σε [m 2 ] f RH = διορθωτικός παράγοντας που εξαρτάται από το χρόνο αναθέρμανσης και την υποτιθέμενη πτώση της εσωτερικής θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια ρύθμισης σε χαμηλότερη θερμοκρασία (setback), σε [W/m 2 ], (δίνεται σε παρακάτω πίνακα). Στην περίπτωση μας επειδή η θερμοκρασία πέφτει κατά δυο βαθμούς και ο χρόνος αναθέρμανσης είναι δυο ώρες, ο διορθωτικός παράγοντας f RH =11 Πίνακας 4.18: Διορθωτικός παράγοντας f RH για 8 ώρες νυχτερινή ρύθμιση σε χαμηλότερη θερμοκρασία Ώρες αναθέρμανσης Παράγοντας f RH [W/ m2] Υποτιθέμενη πτώση εσωτερικής θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια setback. 1 K 2 K 3 K Μεγάλη μάζα κτηρίου Το άθροισμα των θερμικών φορτίων σχεδιασμού για όλους τους χώρους ενός κτηρίου είναι και τα συνολικά θερμικά φορτία του κτηρίου. Οι υπολογισμοί παρατίθενται παρακάτω σε τυποποιημένα υπολογιστικά φύλλα. 74

83 4.5.5.Εφαρμογή της μεθόδου κατά ΕΛΟΤ EΝ ISO Φύλλα υπολογισμού Για τον υπολογισμό των θερμικών φορτίων κατά ΕΛΟΤ ΕΝ ISO χρησιμοποιούνται υπολογιστικά φύλλα, τα όποια παρουσιάζονται για ενδεικτικούς χώρους του κτηρίου κατοικιών. Το Φύλλο υπολογισμού 1 περιέχει κάποιες γενικές πληροφορίες για το κτήριο μελέτης όπως χαρακτηριστικά μεγέθη, θερμοκρασίες, γεωμετρία κτηρίου, όπως φαίνεται παρακάτω στην Εικόνα 4.2. Στο Φύλλο υπολογισμού 2,όπως φαίνεται παρακάτω στις εικόνες 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, υπολογίζεται το θερμικό φορτίο του κάθε χώρου του κτηρίου ξεχωριστά. Αυτό συμβαίνει ώστε να είναι δυνατή η διαστασιολόγηση των θερμαντικών σωμάτων κάθε χώρου. Στο Φύλλο υπολογισμού 2 υπολογίζονται θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς, θερμικές απώλειες λόγω αερισμού και επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση. Επίσης, φαίνονται αναλυτικά χαρακτηριστικά για κάθε δομικό στοιχειό του χώρου όπως επιφάνεια, συντελεστής θερμοπερατότητας, συντελεστής διόρθωσης θερμογεφυρών κ.α. Το Φύλλο υπολογισμού 3 είναι ένας συγκεντρωτικός πίνακας για όλους τους χώρους του κτηρίου, όπου εμφανίζονται συγκεντρωτικά αποτελέσματα για θερμική απώλεια σχεδιασμού λόγω μεταφοράς, θερμική απώλεια σχεδιασμού λόγω αερισμού, θερμική απώλεια σχεδιασμού λόγω μηχανικού αερισμού (όταν υπάρχει), συνολικές θερμικές απώλειες του χώρου, επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση και συνολικό θερμικό φορτίο σχεδιασμού. Παράδειγμα για Φύλλο υπολογισμού 3 υπάρχει στην εικόνα 4.7. Στο Φύλλο υπολογισμού 4,όπως στην εικόνα 4.8., χρησιμοποιούνται τα συνολικά δεδομένα από το Φύλλο υπολογισμού 3 και ανάγονται ανά θερμαινόμενη επιφάνεια κτηρίου και ανά όγκο κτηρίου, ώστε να είναι πιο κατανοητά και πιο χρηστικά για να ακολουθήσει μελέτη και σύγκριση αποτελεσμάτων. 75

84 Εικόνα 4.2: Φύλλο υπολογισμού 1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 1 ΚΤΙΡΙΟ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ Τύπος κτιρίου Προστασία κτιρίου από ανέμους Μονοκατοικία Πολύ καλή προστασία Πολυκατοικία X Μέτρια προστασία X Άλλο Καμία προστασία Κατασκευή κτιρίου/θερμοχωρητικότητα Ποιότητα στεγανότητας θυρών/παραθύρων Ελαφριά Υψηλή Μέτρια Μέση X Βαριά X Χαμηλή ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ Εξωτερική θερμοκρασία θ e = -2 o C Εσωτερική θερμοκρασία* θ int = 20 o C Μέση ετήσια θερμοκρασία θ me = 15.8 o C * Η τιμή μπορεί να δωθεί ανά χώρο ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΚΤΙΡΙΟΥ Πλάτος b = m Αριθμός ορόφων n = 3 Μήκος l = m Ύψος κτιρίου h = 11.2 m Επιφάνεια δαπέδου Α = m 2 ΕΔΑΦΟΣ Βάθος δαπέδου σε έδαφος* z = m Βάθος υπόγειων υδάτων > m Περίμετρος δαπέδου* P = 64.8 m Διορθωτικός παράγοντας f g1 = Παράμετρος* B' = m 2 Διορθωτικός παράγοντας G w = *Οι τιμές μπορούν να δωθούν ανά χώρο ΑΕΡΙΣΜΟΣ Ρυθμός εναλλαγής αέρα σε σχέση με την κατασκευή και στεγανότητα n 50 = 4 h -1 Συντελεστής ταυτοχρονισμού του αερισμού του κτιρίου ζ = Βαθμός απόδοσης του συστήματος ανάκτησης θερμότητας n v = ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ Χρονική διάρκεια ρύθμισης της θερμοκρασίας σε χαμηλότερη τιμή t NSB = 8 h Πτώση εσωτερικής θερμοκρασίας στη διάρκεια night setback Δt 2 K Χρονική διάρκεια αναθέρμανσης t RH = 2 h Διορθωτικός παράγοντας αναθέρμανσης f RH = 11 76

85 Δομικό στοιχείο Συμβολισμός δομικού στοιχείου Πλάτος Μήκος/Ύψος Επιφάνεια Αφαιρούμενη επιφάνεια Καθαρή επιφάνεια υπολογισμού Σύνορο επιφάνειας θερμοκρασία συνορεύοντος χώρου Συντελεστής διόρθωσης Συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής διόρθωσης λόγω θερμογεφυρών Διορθωμένος συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής θερμικών απωλειών λόγω μεταφοράς Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών Εικόνα 4.3: Φύλλο υπολογισμού 2 (υπνοδωμάτιο) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 2 ΚΤΙΡΙΟ: ΠΟΛΥΚΑΤΟΙΚΙΑ ΟΡΟΦΟΣ: 1 ΚΩΔ. ΑΡΙΘΜΟΣ ΧΩΡΟΥ: Α1 ΧΡΗΣΗ ΧΩΡΟΥ: ΥΠΝΟΔΩΜΑΤΙΟ Εσωτερική θερμοκρασία θ int = o C Αερισμός Γεωμετρία χώρου Ρυθμός εναλλαγής αέρα n min = 0.50 h -1 - Πλάτος b R = 3.8 m Ελάχιστη ανανέωση αέρα n 50 = 4.00 h -1 - Μήκος l R = 4.8 m Συντελεστής προστασίας e = Επιφάνεια δαπέδου A R = m 2 Ύψος πάνω από το έδαφος h = m - Ύψος ορόφου h F = 2.80 m Συντελεστής διόρθωσης ύψους ε = Πάχος πλάκας οροφής d = 0.15 m Ρυθμός μηχανικού αερισμού V su = m 3 /h - Ύψος χώρου h R = 2.65 m - Θερμοκρασία αέρα θ su = o C - Όγκος χώρου V i = m 3 - Παράγοντας μείωσης θερ/σίας f v,su = Έδαφος Ρυθμός μηχανικού εξαερισμού V ex = m 3 /h - Βάθος κάτω από έδαφος z = m Ρυθμός επιπλέον ροής αέρα V mech,inf = m 3 /h - Περίμετρος δαπέδου P = m Πρόσθετη θερμική ισχύς - Παράμετρος B' = m Διορθ. Παράγ. αναθέρμανσης f RH = W/m 2 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ b l/h A A A e/u g/h θ u /θ h e k /b u f g2 /f ij U ΔU tb U c H T Φ Τ W W W m m m 2 m 2 m 2 o C m K m K m K W/K W Δ-Υ Εξ.Τ e Τ Εξ.Τ e Π-Π Εξ.Θ e ΠΥΛ e Δ-Υ Εσ.Τ b Τ Εσ.Τ b Συνολικός συντελεστής απωλειών λόγω μεταφοράς Η Τ / Συνολικές απώλειες μεταφοράς Φ Τ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Συντελεστής θερμικών απωλειών αερισμού H V / Θερμικές απώλειες λόγω αερισμού Φ V H V Φ V W/K W Ελάχιστη ανανέωση αέρα V min = m 3 /h Φυσικός αερισμός (χαραμάδες) V inf = m 3 /h Μηχανικός αερισμός V. su f V,su = m 3 /h Ρυθμός ανανέωσης αέρα [είναι το max(v min, V inf )] V i = m 3 /h Συνολικός συντελεστής απωλειών αερισμού Η V / Συνολικές απώλειες αερισμού Φ V Συνολικές θερμικές απώλειες χώρου Φ HL,N = 1020 W Επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση Φ RH = 201 W Συνολικό θερμικό φορτίο σχεδιασμού Φ HL = 1221 W 77

86 Προσανατολισμός Συμβολισμός δομικού στοιχείου Πλάτος Μήκος/Ύψος Επιφάνεια Αφαιρούμενη επιφάνεια Καθαρή επιφάνεια υπολογισμού Σύνορο επιφάνειας θερμοκρασία συνορεύοντος χώρου Συντελεστής διόρθωσης Συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής διόρθωσης λόγω θερμογεφυρών Διορθωμένος συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής θερμικών απωλειών λόγω μεταφοράς Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών Εικόνα 4.4: Φύλλο υπολογισμού 2 (Μπάνιο) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 2 ΚΤΙΡΙΟ: ΠΟΛΥΚΑΤΟΙΚΙΑ ΟΡΟΦΟΣ: 1 ΚΩΔ. ΑΡΙΘΜΟΣ ΧΩΡΟΥ: Α3 ΧΡΗΣΗ ΧΩΡΟΥ: ΜΠΑΝΙΟ Εσωτερική θερμοκρασία θ int = o C Αερισμός Γεωμετρία χώρου Ρυθμός εναλλαγής αέρα n min = 1.50 h -1 - Πλάτος b R = 2.8 m Ελάχιστη ανανέωση αέρα n 50 = 4.00 h -1 - Μήκος l R = 2.8 m Συντελεστής προστασίας e = Επιφάνεια δαπέδου A R = 7.84 m 2 Ύψος πάνω από το έδαφος h = m - Ύψος ορόφου h F = 2.80 m Συντελεστής διόρθωσης ύψους ε = Πάχος πλάκας οροφής d = 0.15 m Ρυθμός μηχανικού αερισμού V su = m 3 /h - Ύψος χώρου h R = 2.65 m - Θερμοκρασία αέρα θ su = o C - Όγκος χώρου V i = m 3 - Παράγοντας μείωσης θερ/σίας f v,su = Έδαφος Ρυθμός μηχανικού εξαερισμού V ex = m 3 /h - Βάθος κάτω από έδαφος z = m Ρυθμός επιπλέον ροής αέρα V mech,inf = m 3 /h - Περίμετρος δαπέδου P = m Πρόσθετη θερμική ισχύς - Παράμετρος B' = m Διορθ. Παράγ. αναθέρμανσης f RH = W/m 2 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ b l/h A A A e/u g/h θ u /θ h e k /b u f g2 /f ij U ΔU tb U c H T Φ Τ W W W m m m 2 m 2 m 2 o C m K m K m K W/K W Δ-Υ Εξ.Τ e Τ Εξ.Τ e Π-Π Εξ.Π e ΠΥΛ e Δ-Υ Εσ.Τ b Τ Εσ.Τ b Π-Π Εσ.Θ b Συνολικός συντελεστής απωλειών λόγω μεταφοράς Η Τ / Συνολικές απώλειες μεταφοράς Φ Τ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Συντελεστής θερμικών απωλειών αερισμού H V / Θερμικές απώλειες λόγω αερισμού Φ V H V Φ V W/K W Ελάχιστη ανανέωση αέρα V min = m 3 /h Φυσικός αερισμός (χαραμάδες) V inf = m 3 /h Μηχανικός αερισμός V. su f V,su = m 3 /h Ρυθμός ανανέωσης αέρα [είναι το max(v min, V inf )] V i = m 3 /h Συνολικός συντελεστής απωλειών αερισμού Η V / Συνολικές απώλειες αερισμού Φ V Συνολικές θερμικές απώλειες χώρου Φ HL,N = 616 W Επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση Φ RH = 86 W Συνολικό θερμικό φορτίο σχεδιασμού Φ HL = 702 W 78

87 Προσανατολισμός Συμβολισμός δομικού στοιχείου Πλάτος Μήκος/Ύψος Επιφάνεια Αφαιρούμενη επιφάνεια Καθαρή επιφάνεια υπολογισμού Σύνορο επιφάνειας θερμοκρασία συνορεύοντος χώρου Συντελεστής διόρθωσης Συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής διόρθωσης λόγω θερμογεφυρών Διορθωμένος συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής θερμικών απωλειών λόγω μεταφοράς Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών Εικόνα 4.5: Φύλλο υπολογισμού 2 (Κουζίνα) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 2 ΚΤΙΡΙΟ: ΠΟΛΥΚΑΤΟΙΚΙΑ ΟΡΟΦΟΣ: 1 ΚΩΔ. ΑΡΙΘΜΟΣ ΧΩΡΟΥ: Α4 ΧΡΗΣΗ ΧΩΡΟΥ: ΚΟΥΖΙΝΑ Εσωτερική θερμοκρασία θ int = o C Αερισμός Γεωμετρία χώρου Ρυθμός εναλλαγής αέρα n min = 0.50 h -1 - Πλάτος b R = 2.8 m Ελάχιστη ανανέωση αέρα n 50 = 4.00 h -1 - Μήκος l R = 4.8 m Συντελεστής προστασίας e = Επιφάνεια δαπέδου A R = m 2 Ύψος πάνω από το έδαφος h = m - Ύψος ορόφου h F = 2.80 m Συντελεστής διόρθωσης ύψους ε = Πάχος πλάκας οροφής d = 0.15 m Ρυθμός μηχανικού αερισμού V su = m 3 /h - Ύψος χώρου h R = 2.65 m - Θερμοκρασία αέρα θ su = o C - Όγκος χώρου V i = m 3 - Παράγοντας μείωσης θερ/σίας f v,su = Έδαφος Ρυθμός μηχανικού εξαερισμού V ex = m 3 /h - Βάθος κάτω από έδαφος z = m Ρυθμός επιπλέον ροής αέρα V mech,inf = m 3 /h - Περίμετρος δαπέδου P = m Πρόσθετη θερμική ισχύς - Παράμετρος B' = m Διορθ. Παράγ. αναθέρμανσης f RH = W/m 2 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ b l/h A A A e/u g/h θ u /θ h e k /b u f g2 /f ij U ΔU tb U c H T Φ Τ W W W m m m 2 m 2 m 2 o C m K m K m K W/K W Δ-Υ Εξ.Τ e Τ Εξ.Τ e Π-Π Εξ.Θ e ΠΥΛ e Δ-Υ Εσ.Τ b Τ Εσ.Τ b Συνολικός συντελεστής απωλειών λόγω μεταφοράς Η Τ / Συνολικές απώλειες μεταφοράς Φ Τ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Συντελεστής θερμικών απωλειών αερισμού H V / Θερμικές απώλειες λόγω αερισμού Φ V H V Φ V W/K W Ελάχιστη ανανέωση αέρα V min = m 3 /h Φυσικός αερισμός (χαραμάδες) V inf = m 3 /h Μηχανικός αερισμός V. su f V,su = m 3 /h Ρυθμός ανανέωσης αέρα [είναι το max(v min, V inf )] V i = m 3 /h Συνολικός συντελεστής απωλειών αερισμού Η V / Συνολικές απώλειες αερισμού Φ V Συνολικές θερμικές απώλειες χώρου Φ HL,N = 734 W Επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση Φ RH = 148 W Συνολικό θερμικό φορτίο σχεδιασμού Φ HL = 882 W 79

88 Προσανατολισμός Συμβολισμός δομικού στοιχείου Πλάτος Μήκος/Ύψος Επιφάνεια Αφαιρούμενη επιφάνεια Καθαρή επιφάνεια υπολογισμού Σύνορο επιφάνειας θερμοκρασία συνορεύοντος χώρου Συντελεστής διόρθωσης Συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής διόρθωσης λόγω θερμογεφυρών Διορθωμένος συντελεστής θερμοπερατότητας Συντελεστής θερμικών απωλειών λόγω μεταφοράς Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών Εικόνα 4.6: Φύλλο υπολογισμού 2 (Καθιστικό) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 2 ΚΤΙΡΙΟ: ΠΟΛΥΚΑΤΟΙΚΙΑ ΟΡΟΦΟΣ: 1 ΚΩΔ. ΑΡΙΘΜΟΣ ΧΩΡΟΥ: Α5 ΧΡΗΣΗ ΧΩΡΟΥ: ΚΑΘΙΣΤΙΚΟ Εσωτερική θερμοκρασία θ int = o C Αερισμός Γεωμετρία χώρου Ρυθμός εναλλαγής αέρα n min = 0.50 h -1 - Πλάτος b R = 4,8 (6,8) m Ελάχιστη ανανέωση αέρα n 50 = 4.00 h -1 - Μήκος l R = 3,95(7,8) m Συντελεστής προστασίας e = Επιφάνεια δαπέδου A R = m 2 Ύψος πάνω από το έδαφος h = m - Ύψος ορόφου h F = 2.80 m Συντελεστής διόρθωσης ύψους ε = Πάχος πλάκας οροφής d = 0.15 m Ρυθμός μηχανικού αερισμού V su = m 3 /h - Ύψος χώρου h R = 2.65 m - Θερμοκρασία αέρα θ su = o C - Όγκος χώρου V i = m 3 - Παράγοντας μείωσης θερ/σίας f v,su = Έδαφος Ρυθμός μηχανικού εξαερισμού V ex = m 3 /h - Βάθος κάτω από έδαφος z = m Ρυθμός επιπλέον ροής αέρα V mech,inf = m 3 /h - Περίμετρος δαπέδου P = m Πρόσθετη θερμική ισχύς - Παράμετρος B' = m Διορθ. Παράγ. αναθέρμανσης f RH = W/m 2 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ b l/h A A A e/u g/h θ u /θ h e k /b u f g2 /f ij U ΔU tb U c H T Φ Τ W W W m m m 2 m 2 m 2 o C m K m K m K W/K W Δ-Υ Εξ.Τ e Τ Εξ.Τ e Π-Π Εξ.Θ e ΠΥΛ e Δ-Υ Εσ.Τ b Τ Εσ.Τ b Π-Π Εσ.Θ b Συνολικός συντελεστής απωλειών λόγω μεταφοράς Η Τ / Συνολικές απώλειες μεταφοράς Φ Τ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Συντελεστής θερμικών απωλειών αερισμού H V / Θερμικές απώλειες λόγω αερισμού Φ V H V Φ V W/K W Ελάχιστη ανανέωση αέρα V min = m 3 /h Φυσικός αερισμός (χαραμάδες) V inf = m 3 /h Μηχανικός αερισμός V. su f V,su = m 3 /h Ρυθμός ανανέωσης αέρα [είναι το max(v min, V inf )] V i = m 3 /h Συνολικός συντελεστής απωλειών αερισμού Η V / Συνολικές απώλειες αερισμού Φ V Συνολικές θερμικές απώλειες χώρου Φ HL,N = 1589 W Επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση Φ RH = 499 W Συνολικό θερμικό φορτίο σχεδιασμού Φ HL = 2087 W 80

89 Εικόνα 4.7: Φύλλο υπολογισμού 3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΑΝΑ ΧΩΡΟ α/α ΧΩΡΟΣ Φ Te Φ Τ Φ V,min Φ V,inf Φ V,su Φ V,mech,inf Φ HL,N Φ RH Φ HL W W W W W W W W W 1 Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ Α Β Γ ΣΥΝΟΛΟ

90 Εικόνα 4.8: Φύλλο υπολογισμού 4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΦΥΛΛΟ 4 ΣΥΝΟΛΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Συντελεστης θερμικών απωλειών κτιρίου λόγω αγωγιμότητας ΣH T,B = W/K Συντελεστης θερμικών απωλειών κτιρίου λόγω αερισμού ΣH V,B = W/K Συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών κτιρίου Η Β = W/K ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ Θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς Φ Τ,e = W Θερμικές απώλειες ελάχιστου αερισμού Φ V,min,B = 7173 W Θερμικές απώλειες φυσικού αερισμού Φ V,inf,B = 1970 W Θερμικές απώλειες μηχανικού αερισμού Φ V,su,B = (1) W Θερμικές απώλειες επιπλέον ροής αέρα Φ mech,inf,b = W Θερμικές απώλειες αερισμού (χωρίς μηχανικό αερισμό/εξαερ.) Φ V,B = (2) 7173 W Θερμικές απώλειες αερισμού (με μηχανικό αερισμό/εξαερισμό) Φ V,B = (3) W ΘΕΡΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΤΙΡΙΟΥ Θερμικό φορτίο χωρίς προσαύξηση διακοπτόμενης λειτουργίας Φ Ν,B = (4) W Επιπλέον θερμικό φορτίο για διακοπτόμενη θέρμανση Φ RH,B = 6785 W Θερμικό φορτίο σχεδιασμού κτιρίου Φ HL,B = W ΕΙΔΙΚΟ ΘΕΡΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Θερμικό φορτίο / θερμαινόμενη επιφάνεια κτιρίου Φ HL,B / A N,B = 54 W/m 2 Θερμικό φορτίο / όγκο κτιρίου Φ HL,B / V N,B = 21 W/m 3 Το θερμικό φορτίο σχεδιασμού του κτηρίου είναι W. Η τιμή αυτή θα χρησιμοποιηθεί για την επιλογή και τη διαστασιολόγηση των συσκευών των συστημάτων θέρμανσης που θα εξεταστούν για το κτήριο. 82

91 5 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ 5.1 Γενικά Η κατανάλωση ενέργειας ενός συστήματος θέρμανσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Οι κυριότεροι από αυτούς είναι ο σχεδιασμός του κτιρίου από ενεργειακή άποψη, η ρύθμιση του συστήματος, η κατασκευή και η συντήρηση της εγκατάστασης και ο τρόπος χρήσης του κτιρίου. [1] Η ενέργεια που καταναλώνεται στα συστήματα θέρμανσης αποτελείται από την ενέργεια που καταναλώνουν: οι κεντρικές συσκευές παραγωγής θερμότητας (λέβητας, αντλία θερμότητας) οι συσκευές που μεταφέρουν τη θερμική ενέργεια από τις κεντρικές συσκευές στα θερμαντικά σώματα (αντλίες, ανεμιστήρες), που είναι εγκατεστημένα στους κατοικήσιμους χώρους του κτιρίου. Η ενέργεια που καταναλώνουν οι κεντρικές συσκευές (λέβητας, αντλία θερμότητας) εξαρτάται από: τις θερμικές απώλειες του κτιρίου, δηλαδή από τη θερμική προστασία του κτιρίου και από τους διάφορους εξωτερικούς παράγοντες που διαμορφώνουν τα θερμικά φορτία (θερμοκρασία, αερισμός) από τα θερμικά κέρδη τα οποία προέρχονται από την ηλιακή ακτινοβολία, τα άτομα, τις συσκευές και το φωτισμό του κτιρίου. Η κατανάλωση ενέργειας των κεντρικών συσκευών στα συστήματα θέρμανσης εξαρτάται κυρίως από την ένταση των εξωτερικών παραγόντων, οι οποίοι μεταβάλλονται συνεχώς, και από τη σωστή επιλογή, διαστασιολόγηση και συντήρηση των συσκευών. Τα εσωτερικά φορτία και ο τρόπος χρήσης του κτιρίου επηρεάζει σε μικρότερο βαθμό την κατανάλωση ενέργειας. Φυσικά η διαπίστωση αυτή ισχύει εφόσον τηρούνται όλοι οι κανόνες εξοικονόμησης ενέργειας τόσο στο σχεδιασμό όσο και στη λειτουργία της εγκατάστασης θέρμανσης. Ο λέβητας στις εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης καταναλώνει συνήθως πετρέλαιο ή φυσικό αέριο ενώ εάν η εγκατάσταση περιλαμβάνει και αντλία θερμότητας καταναλώνεται και ηλεκτρική ενέργεια. Εάν το σύστημα θέρμανσης είναι με νερό καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια και από τους κυκλοφορητές που μεταφέρουν το θερμό νερό από το λέβητα ή την αντλία θερμότητας προς τους κατοικήσιμους χώρους και αντίστροφα. Εάν το σύστημα θέρμανσης είναι με αέρα καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια από τον/τους ανεμιστήρα/ες που μεταφέρουν το θερμό αέρα από τον αερολέβητα στους κατοικήσιμους χώρους και 83

92 αντίστροφα. Τέλος υπάρχει και μία κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στον καυστήρα του λέβητα και στο σύστημα ρύθμισης και αυτοματισμού. Η ετήσια κατανάλωση ενέργειας ενός συστήματος θέρμανσης είναι απαραίτητο να υπολογίζεται, γιατί είναι ο κυριότερος παράγοντας του λειτουργικού κόστους του συστήματος. Η σύγκριση διαφόρων εναλλακτικών λύσεων και η επιλογή της βέλτιστης δυνατής μπορεί να γίνει μόνο με την εκτίμηση της ενεργειακής κατανάλωσης όλων των δυνατών επιλογών. Η καλύτερη μέθοδος εκτίμησης για την κατανάλωση ενέργειας συστημάτων σε υπάρχοντα κτίρια είναι οι μετρήσεις και οι παρατηρήσεις στην λειτουργία των συστημάτων. Ακριβείς μετρήσεις στη διάρκεια ορισμένων ετών αποτελούν το καλύτερο αρχείο για την εκτίμηση της ενεργειακής συμπεριφοράς των συστημάτων στο μέλλον και για την διόρθωση διαφόρων ενεργειακών αστοχιών. Εάν τέτοιες μετρήσεις δεν υπάρχουν είναι απαραίτητο να γίνουν υπολογισμοί με μία από τις μεθόδους εκτίμησης, οι οποίες υπάρχουν. Σε συστήματα τα οποία εγκαθίστανται σε νέα κτίρια, ο μόνος τρόπος για να υπολογισθεί η κατανάλωση είναι η χρήση μιας μεθόδου εκτίμησης των ενεργειακών απαιτήσεων για τη θέρμανση των κτιρίων. Η εκτίμηση αυτή συνήθως απαιτεί μία προσομοίωση των συστημάτων και φυσικά δεν μπορεί να γίνει με μόνο κριτήριο τα μέγιστα θερμικά φορτία σχεδιασμού. Η μέθοδος εκτίμησης κατανάλωσης ενέργειας που χρησιμοποιείται για τα συστήματα με λέβητα είναι η μέθοδος βαθμοημερών μεταβλητής βάσης. (variable base degree day method). Για τα συστήματα με αντλία θερμότητας επειδή ο συντελεστής αποδοτικότητας μεταβάλλεται με την θερμοκρασία περιβάλλοντος, εφαρμόζεται μια πιο ακριβής μεθοδολογία, η μέθοδος συχνοτήτων θερμοκρασιών (Bin Method). 5.2 Μέθοδος βαθμοημερών μεταβλητής βάσης (variable base degree day method). Οι βαθμοημέρες μιας περιοχής είναι ένας δείκτης για το πόσο δριμύ είναι το κλίμα της. Επίσης, οι μέθοδοι των βαθμοημερών δίνουν απλά και γρήγορα μία εκτίμηση των ετήσιων αναγκών σε ενέργεια, η οποία μπορεί να είναι ακριβής όταν η εσωτερική θερμοκρασία και οι εσωτερικές πηγές ενέργειας είναι σταθερές, και το σύστημα θέρμανσης λειτουργεί για όλη τη χειμερινή ή περίοδο. Η μέθοδος βαθμοημερών μεταβλητής βάσης 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. 84

93 5.2.1 Υπολογισμός της ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση Η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου θ bal, ορίζεται ως η θερμοκρασία εκείνη του εξωτερικού περιβάλλοντος θ o, στην οποία για τη δεδομένη εσωτερική θερμοκρασία του κτιρίου θ int, οι συνολικές θερμικές απώλειες είναι ίσες με τα θερμικά κέρδη από τον ήλιο, τους ανθρώπους, τα φώτα και τις συσκευές. Η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου είναι [18] θ bal = θ int - Q gain / H B όπου: θ bal = η θερμοκρασία ισορροπίας του κτιρίου, C. Q gain = τα συνολικά θερμικά κέρδη του κτιρίου (από ήλιο, ανθρώπους, φώτα και συσκευές), W θ int = η εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού H B = o συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών του κτιρίου, W/K Στο κτίριο που μελετάται στην παρούσα εργασία, η εσωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού θint ορίζεται ίση με 20 C. Λόγω της αναθέρμανσης υπολογίζεται ως θint = 20 16/ /24 = 19,3 C. Αυτό ισχύει γιατί για 16 ώρες έχουμε θin t = 20 C, ενώ για 8 ώρες έχουμε θint = 18 C. Ο συνολικός συντελεστής θερμικών απωλειών του κτιρίου HB = 1204 W/K Θέρμανση απαιτείται όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος θ o πέσει κάτω από τη θερμοκρασία ισορροπίας θ bal. Εάν τα μεγέθη n h,θ bal και H B θεωρηθούν σταθερά η μηνιαία ενεργειακή κατανάλωση για τη θέρμανση του κτιρίου μπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση: όπου: DD(θbal)= οι βαθμοημέρες θέρμανσης στη θερμοκρασία θbal, Kdays Η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση υπολογίζεται αθροίζοντας τις μηνιαίες καταναλώσεις: όπου j ο αριθμός των μηνών της χειμερινής περιόδου. 85

94 5.2.2 Εσωτερικά θερμικά κέρδη σε κτίρια Τα εσωτερικά θερμικά κέρδη προέρχονται από τους ενοίκους, από τις διάφορες ηλεκτρικές συσκευές και από τον φωτισμό των χώρων του κτιρίου. Τα θερμικά αυτά κέρδη είναι θερμότητα που παράγεται (εκλύεται), επηρεάζουν την εσωτερική θερμοκρασία των κτιρίων και επιδρούν στο ενεργειακό τους ισοζύγιο. Τα θερμικά κέρδη προέρχονται από τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες, οι οποίες διακρίνονται κυρίως σε δύο κατηγορίες: 1) σε δραστηριότητες που αφορούν σε πρόσδωση ενέργειας στο κτίριο με έμμεσο τρόπο π.χ. η ρύθμιση του εσωκλίματος του κτιρίου με ένα θερμοστάτη ή το άνοιγμα των παραθύρων για αερισμό και 2) σε δραστηριότητες που αφορούν σε πρόσδωση ενέργειας με άμεσο τρόπο και οι οποίες σχετίζονται με την παρουσία των ενοίκων στο κτίριο και με τη χρήση ηλεκτρικών συσκευών και φωτισμού. Τα εσωτερικά θερμικά κέρδη σε κτίρια επομένως, περιλαμβάνουν τρεις βασικές κατηγορίες: Την έκλυση θερμότητας από τους ανθρώπους (αισθητά και λανθάνοντα κέρδη, η αναλογία των οποίων είναι συνάρτηση της δραστηριότητας των ανθρώπων), Q occ,sen Την έκλυση θερμότητας από τον εξοπλισμό/συσκευές (κατά το μεγαλύτερο ποσοστό αισθητά κέρδη στην πλειοψηφία των εφαρμογών), Q equ,sen Τον ηλεκτροφωτισμό (αισθητά κέρδη), Q lit i Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ανθρώπους, Q occ,sen 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. Στον υπολογισμό των θερμικών κερδών από ανθρώπους πρέπει να λαμβάνεται 86

95 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. Στον πίνακα 1.11 δίνονται μέσες τυπικές τιμές θερμικών κερδών [W] ανά άτομο ή ανά [m 2 ] κατοικήσιμης επιφάνειας. Στον πίνακα δίνεται και ο μέσος συντελεστής παρουσίας (ετεροχρονισμού), ο οποίος είναι το ποσοστό του χρόνου που οι χρήστες είναι παρόντες στο κτίριο (κατά μέσο όρο). Πίνακας 5.1: Θερμικά κέρδη από άτομα [W] σε κτίρια διαφόρων χρήσεων Χρήση κτιρίου/θερμικής ζώνης Θερμικό κέρδος [W/άτομο] ή [W/m 2 επιφ.] Μέσος συντελεστής παρουσίας Μονοκατοικία, πολυκατοικία 80 / Γραφείο 80 / 8 Μέσ 0.3 ος Θέατρο, κινηματογράφος 75 / 75 συντ 0.29 Κατάστημα (εμπορικό) 90 / 13 ελεσ 0.32 τής Εμπορικό κέντρο 90 / παρ Αίθουσα διδασκαλίας (πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια) 80 / 40 ουσί 0.18 ας Αίθουσα διδασκαλίας (τριτοβάθμια εκπαίδευση) 80 / Τράπεζα 75 / Εστιατόριο 75 / Το τελικό θερμικό κέρδος από ανθρώπους προκύπτει από το γινόμενο του θερμικού κέρδους του πιν επί τον μέσο συντελεστή παρουσίας επί την επιφάνεια της πολυκατοικίας. δηλαδή στο υπό μελέτη κτίριο είναι Qequ,sen = 4*0,5*0,75*618.6 = 1856 W ii Εσωτερικά θερμικά κέρδη από συσκευές, Q equ,sen Η θερμική ισχύς από ηλεκτρικές και άλλες συσκευές εκλύεται με ακτινοβολία και μεταφορά, σε αναλογία που εξαρτάται από το είδος της συσκευής. Η αναλογία των τμημάτων ακτινοβολίας-μεταφοράς δεν υπεισέρχεται σε απλουστευμένους υπολογισμούς. Στις περισσότερες εφαρμογές τα θερμικά κέρδη από συσκευές εκλύονται στο χώρο υπό τη μορφή αισθητής θερμότητας. Στον υπολογισμό των θερμικών κερδών από συσκευές πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και ο συντελεστής ετεροχρονισμού, μέσω του οποίου αντιστοιχίζεται η πραγματική-κατά μέσο όρο-ταυτόχρονη λειτουργία των συσκευών κατά τη διάρκεια της ημέρας, καθώς και ο μέσος συντελεστής του πραγματικού χρόνου λειτουργίας του κτιρίου και κατά συνέπεια των ηλεκτρικών συσκευών. Στον πίνακα 1.12 δίνονται μέσες τιμές θερμικών κερδών [W] ηλεκτρικών συσκευών ανά [m 2 ] κατοικήσιμης επιφάνειας, σε διάφορες 87

96 κατηγορίες κτιρίων. Στον πίνακα δίνεται και ο μέσος συντελεστής ετεροχρονισμού καθώς και ο μέσος συντελεστής πραγματικού χρόνου λειτουργίας του κτιρίου και κατά συνέπεια και των συσκευών. Πίνακας 5.2: Θερμικά κέρδη από συσκευές [W/m 2 επιφ.] σε κτίρια διαφόρων χρήσεων Χρήση κτιρίου/θερμικής ζώνης Θερμικό κέρδος [W/m 2 επιφ.] Συντελεστής ετεροχρονισμού Μέσος συντελεστής λειτουργίας Μονοκατοικία, πολυκατοικία Γραφείο Θέατρο, κινηματογράφος Κατάστημα (εμπορικό) Εμπορικό κέντρο Αίθουσα διδασκαλίας (πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια) Αίθουσα διδασκαλίας (τριτοβάθμια εκπαίδευση) Τράπεζα Εστιατόριο Το τελικό θερμικό κέρδος προκύπτει από το γινόμενο του θερμικού κέρδους του πιν επί τον συντελεστή ετεροχρονισμού επί τον μέσο συντελεστή λειτουργίας και επί την επιφάνεια του κτιρίου δηλαδή στο υπό μελέτη κτίριο είναι Q equ,sen = 4*0,5*0,75*618.6 = 928 W iii Εσωτερικά θερμικά κέρδη από ηλεκτροφωτισμό, Q lit Για τα εσωτερικά θερμικά κέρδη από φωτισμό λαμβάνεται υπόψη η εγκατεστημένη ισχύς των φωτιστικών στους διάφορους χώρους της πολυκατοικίας. Στο υπό μελέτη κτίριο θεωρήθηκε 200 W ανά διαμέρισμα δηλαδή Q lit = 1200 W για όλη τη πολυκατοικία Ηλιακά κέρδη σε κτίρια κατοικιών Τα ηλιακά κέρδη Q sol 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 οποία προσπίπτει στις αδιαφανείς εξωτερικές επιφάνειες (τοίχους, δοκούς υποστηλώματα, δώματα κλπ), αποθηκεύεται και αποδίδεται με κάποια χρονική υστέρηση στο εσωτερικό του κτιρίου. Τα θερμικά κέρδη μέσα από τις αδιαφανείς επιφάνειες συνήθως δεν 88

97 λαμβάνονται υπόψη στις μεθόδους απλής μέτρησης της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση, λόγω της μικρής συνεισφοράς τους στο θερμικό ισοζύγιο του κτιρίου κατά τη χειμερινή περίοδο. Αντίθετα τα άμεσα ηλιακά κέρδη μέσα από τις διαφανείς επιφάνειες αποτελούν συνήθως ένα σημαντικό θερμικό κέρδος, το οποίο πρέπει να συνυπολογισθεί στα θερμικά κέρδη του κτιρίου. Η ASHRAE έχει αναπτύξει μία μέθοδο για την εκτίμηση των ηλιακών θερμικών κερδών μέσα από διαφανείς επιφάνειες σε κτίρια, η οποία βασίζεται σε ένα μέγεθος αναφοράς. Το μέγεθος αναφοράς, το οποίο ονομάζεται συντελεστής θερμικού ηλιακού κέρδους (SHGFsolar heat gain factor) είναι το ηλιακό θερμικό κέρδος σε W/m2 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 (SCshading 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. Ο συντελεστής σκίασης ορίζεται ως: Η εκτίμηση των ηλιακών θερμικών κερδών μέσα από διαφανείς επιφάνειες σε κτίρια σύμφωνα με τη μέθοδο της ASHRAE γίνεται από τη σχέση: [19] Όπου : - Q sol,day = το ημερήσιο ηλιακό θερμικό κέρδος μέσα από διαφανείς επιφάνειες, Wh. - A g = η επιφάνεια των ανοιγμάτων, m 2. - SC = ο συντελεστής σκίασης από τις εσωτερικές διατάξεις ηλιακής προστασίας. Στα ανοίγματα του υπό μελέτη κτιρίου θεωρείται ότι δεν υπάρχουν εσωτερικές διατάξεις σκίασης, επομένως SC = 1. - SF = ο συντελεστής σκίασης από υγρασία στις επιφάνειες υαλοπινάκων και λόγω πλαισίου. Ο συντελεστής SF λαμβάνεται SF=0,85. - G shade = ο συντελεστής σκίασης από εξωτερικές διατάξεις σκίασης (πρόβολοι, δέντρα κλπ). 89

98 Ο συνολικός συντελεστής σκίασης από εξωτερικές διατάξεις ισούται με: G shade = F h F o F f όπου: F h = συντελεστής σκίασης από τον ορίζοντα, με F h =1 F f = συντελεστής σκίασης από κατακόρυφα πτερύγια, με F f =1 γιατί δεν υπάρχουν κατακόρυφα πτερύγια. F o = συντελεστής σκίασης από οριζόντια πτερύγια. Ο συντελεστής σκίασης από οριζόντια πτερύγια προσδιορίζει τη σκίαση των επιφανειών του κτιρίου λόγω ύπαρξης οριζόντιων προεξοχών. Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν οριζόντιες προεξοχές ο συντελεστής ισούται με τη μονάδα (F o =1), ενώ όταν η σκίαση είναι πλήρης ο συντελεστής είναι ίσος με μηδέν (F o =0). Για την εκτίμηση του συντελεστή σκίασης από προβόλους είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της γωνίας β του προβόλου. Ο υπολογισμός γίνεται ανά προσανατολισμό και για κάθε εξωτερικό άνοιγμα (παράθυρο, θύρα) ξεχωριστά. Η γωνία β αντιστοιχεί στη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του κατακόρυφου επιπέδου του εξεταζόμενου ανοίγματος και της ευθείας που ενώνει το μέσο του ανοίγματος με το πέρας του προβόλου. Εικόνα 5.1: Η γωνία β Η γωνία β είναι : εφβ=2,3/1,55 = 56 ο και από πίνακα 5.3 και με γραμμική παρεμβολή ισχύει Fον=0,582 για Βόρειο προσανατολισμό ενώ για Νότιο προσανατολισμό ισχύει Fον=0,55.Επομενως ο συντελεστής G shade είναι : G shade = 0,582 για Βόρειο προσανατολισμό G shade = 0,55 για Νότιο προσανατολισμό 90

99 Για Ανατολικό και δυτικό προσανατολισμό G shade = 1 αφού δεν υπάρχουν πτερύγια σκίασης. Πίνακας 5.3: Συντελεστής σκίασης από οριζόντιους προβόλους Fo - CN = ο δείκτης αιθριότητας της περιοχής. Ο μέσος δείκτης αιθριότητας CN για κάθε μήνα και για τη πόλη Θεσσαλονίκη δίνεται από το πίνακα 5.4. [20] 91

100 Πίνακας 5.4: Μέσος δείκτης αιθριότητας CN κάθε μήνα για διάφορες πόλεις της Ελλάδας - PPSS = η πιθανή ηλιοφάνειας του μήνα, hours/day. Επιλέγεται με βάση την κλιματολογική ζώνη από τους πίνακες 5.5 και 5.6. Η Θεσσαλονίκη ανήκει στην κλιματολογική ζώνη 5. [21] Πίνακας 5.5: Kλιματολογικές ζώνες της Ελλάδας σε σχέση με τις μέσες τιμές ηλιοφάνειας ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΙΣ ΜΕΣΕΣ ΤΙΜΕΣ ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑΣ Ηράκλειο Αθήνα Αργοστόλι Άρτα Θεσσαλονίκη Ιωάννινα Ιεράπετρα Καλαμάτα Κόρινθος Κέρκυρα Καβάλα Κομοτηνή Ρόδος Νάξος Μυτιλήνη Λαμία Κατερίνη Κόνιτσα Σητεία Σάμος Πάτρα Λήμνος Λάρισα Σέρρες Χανιά Σύρος 92