4ο Εργαστήριο: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ

4ο Εργαστήριο: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ

Συστήματα θέρμανσης Στόχος του εργαστηρίου Στόχος του εργαστηρίου είναι να γνωρίσουν οι φοιτητές: - τα συστήματα θέρμανσης που μπορεί να υπάρχουν σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο - τις βασικές συνιστώσες των συστημάτων θέρμανσης - τις βασικές αρχές λειτουργίας των συστημάτων αυτών - τη διαδικασία εκτίμησης ισχύος των συστημάτων θέρμανσης όταν είναι γνωστές οι θερμικές απαιτήσεις ενός κτηρίου Θεωρητικό μέρος (Περιεχόμενα) Συστήματα θέρμανσης τοπικά Συστήματα θέρμανσης κεντρικά Συστήματα παραγωγής θερμότητας Λέβητες - λεβητοστάσια α. Λέβητες πετρελαίου β. Λέβητες αερίου/ βιοαερίου γ. Λέβητες στερεών καυσίμων Αντλίες θερμότητας Σύστημα διανομής θερμότητας 1 Σωληνώσεις ζεστού νερού 2 Σωληνώσεις ζεστού αέρα Σύστημα απόδοσης θερμότητας 1 Επιδαπέδιο ή ενδοδαπέδιο σύστημα 2 Αεραγωγοί Υπολογισμός ισχύος συστημάτων παραγωγής θερμότητας 1 Υπολογισμός της ισχύος του λέβητα 2 Υπολογισμός της ισχύος μιας αντλίας θερμότητας Παράδειγμα υπολογισμού της ισχύος ενός συστήματος παραγωγής θερμότητας 1 Η ισχύς του λέβητα 2 Η ισχύς της αντλίας θερμότητας 2

Εισαγωγή Προκειμένου να εξυπηρετηθούν οι θερμικές απαιτήσεις των κτηνοτροφικών κτηρίων χρησιμοποιείται κατάλληλος εξοπλισμός. Ο εξοπλισμός αυτός αποτελείται από τα εξής τρία υποσυστήματα: - παραγωγής θερμότητας - διανομής θερμότητας - απόδοσης θερμότητας Γενικά διακρίνονται δύο τύποι συστημάτων θέρμανσης - Τα κεντρικά συστήματα - Τα τοπικά συστήματα Συστήματα θέρμανσης τοπικά Στα τοπικά συστήματα θέρμανσης, η θερμότητα παράγεται τοπικά και καλύπτει μικρές περιοχές του κτηνοτροφικού κτηρίου. Συνήθως για την παραγωγή θερμότητας χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιείται όταν πρέπει να εξυπηρετηθούν ζώα με ειδικές ανάγκες (πχ χοιρίδια τα οποία έχουν υψηλές απαιτήσεις θερμοκρασίας και βρίσκονται στον ίδιο χώρο με χοιρομητέρες οι οποίες χρειάζονται χαμηλότερες θερμοκρασίες) ή όταν χρησιμοποιούνται κτήρια με πολύ μεγάλο ύψος όπου δε μας ενδιαφέρει να θερμανθεί το κτήριο σε όλο το ύψος. Σχήμα 1. Αερόθερμα οροφής (ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ) 3

Συστήματα θέρμανσης κεντρικά Στα κεντρικά συστήματα θέρμανσης η θερμότητα παράγεται σε ένα σημείο και από εκεί μεταφέρεται με κατάλληλο σύστημα διανομής σε όλο το κτήριο. Σε ότι αφορά στην παραγωγή θερμότητας αυτή μπορεί να γίνεται με: - Λέβητα πετρελαίου - Λέβητας αερίου/ βιοαερίου - Λέβητα στερεών καυσίμων - Αντλία θερμότητας Σε ότι αφορά το μέσο μεταφοράς θερμότητας αυτό μπορεί να είναι: - αέρας ή - νερό Σε ότι αφορά τον τρόπο απόδοσης θερμότητας στο κτήριο αυτή μπορεί να γίνεται: - με αεραγωγούς ή - επιδαπέδια ή ενδοδαπέδια Συστήματα παραγωγής θερμότητας Υπάρχουν δύο βασικά συστήματα παραγωγής θερμότητας, α) με καύση ορυκτού καυσίμου ή βιομάζας και β) με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Στην πρώτη περίπτωση χρησιμοποιείται ένας λέβητας ο οποίος ζεσταίνεται με την καύση ορυκτού καυσίμου ή βιομάζας, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η φιλοσοφία είναι διαφορετική. Σχήμα 2. Αερόθερμο οροφής θερμοκηπίου στο οποίο κυκλοφορεί ζεστό νερό από τον λέβητα (Σχήμα 3), στον εναλλάκτη του και η διανομή του ζεστού αέρα στον χώρο του θερμοκηπίου δημιουργείται με βεβιασμένη κυκλοφορία αέρα (μέσα από τον εναλλάκτη, καταναλώνοντας ηλεκτρική ενέργεια μόνο για τον ανεμιστήρα που δημιουργεί τη βεβιασμένη κυκλοφορία του αέρα). 4

Σχήμα 3. Τοπική μονάδα παραγωγής ζεστού νερού στον χώρο του θερμοκηπίου (Διακρίνεται το σύστημα απαγωγής καυσαερίων και η δεξαμενή πετρελαίου). Εκτός από τα συνήθη σώματα στα οποία κυκλοφορεί ένα υγρό (συνήθως ορυκτέλαιο) που ζεσταίνεται και ακτινοβολεί θερμότητα καταναλώνοντας ηλεκτρική ενέργεια, πολύ συχνή είναι επίσης η χρησιμοποίηση μιας αντλίας θερμότητας, η οποία επίσης καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια. Ο βαθμός απόδοσής της είναι αρκετά μεγαλύτερος από όλα τα άλλα συστήματα θέρμανσης. Υπάρχουν βέβαια και τα αερόθερμα τα οποία καταναλώνοντας ηλεκτρική ενέργεια ζεσταίνουν τον αέρα ενός κτηνοτροφικού κτηρίου. Επίσης η παραγωγή θερμότητας μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), όπως είναι η ηλιοθερμική και η γεωθερμία. Αυτές δεν θα παρουσιαστούν εδώ. Ωστόσο η βιομάζα υπό όρους μπορεί να θεωρηθεί ΑΠΕ. 1 Λέβητες - λεβητοστάσια «Λέβητας»: είναι η μεταλλική συσκευή στην οποία η χημική ενέργεια του καυσίμου (υγρό, αέριο ή στερεό) με καύση εντός του θαλάμου καύσης μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία παραλαμβάνεται (κατά το δυνατόν) από το εργαζόμενο μέσο (νερό) που ανακυκλοφορεί στο κλειστό δίκτυο (λέβητας σωληνώσεις θερμαντικά σώματα εναλλάκτης) και χρησιμοποιείται για τη θέρμανση των χώρων καθώς και για τη θέρμανση νερού χρήσης ή παραγωγής ατμού. Το λεβητοστάσιο (ο χώρος στον οποίο είναι τοποθετημένος ο λέβητας) στεγάζει τον ακόλουθο εξοπλισμό: 5

- τον λέβητα - τον καυστήρα - το σύστημα διανομής - απόδοσης της θερμότητας με τις κατάλληλες σωληνώσεις και την αντλία για την κίνηση του νερού (κυκλοφορητής) - τις διατάξεις ασφαλείας - τη δεξαμενή υγρού καυσίμου ή το σύστημα προσαγωγής αερίου ή ο χώρος αποθήκευσης και το σύστημα προσαγωγής στερεού καυσίμου - το συστήματα ελέγχου και ρυθμίσεων - το σύστημα απαγωγής καυσαερίων Τα βασικά μέρη ενός λέβητα είναι τα εξής: α) Η εστία καύσης που είναι ο χώρος στον οποίο πραγματοποιείται η καύση του καυσίμου, β) Ο υδροθάλαμος που είναι ο χώρος που βρίσκεται το νερό, που πρόκειται να θερμανθεί, γ) Οι αεραυλοί και ο καπνοθάλαμος που είναι οι χώροι από τους οποίους περνούν τα καυσαέρια πριν εξέλθουν από τον λέβητα. Σχήμα 4. Βασικά μέρη συστήματος λέβητα-καυστήρα α. Λέβητες πετρελαίου Οι λέβητες πετρελαίου (χαλύβδινοι ή χυτοσιδηροί) χρησιμοποιούν ως καύσιμο το πετρέλαιο. Το πετρέλαιο αποθηκεύεται σε ειδική δεξαμενή από την οποία οδηγείται στον καυστήρα. Εκεί το πετρέλαιο διαμερίζεται και ψεκάζεται στην εστία καύσης μαζί με αέρα προκειμένου να γίνει η καύση αποδοτική. Συνήθως οι λέβητες πετρελαίου είναι πιεστικοί (ο αέρας καύσης εισέρχεται μέσω του καυστήρα στον θάλαμο καύσης με πίεση μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική). Ο βαθμός απόδοσης των συμβατικών λεβήτων πετρελαίου κυμαίνεται από 85% έως 0.92%. 6

β. Λέβητες αερίου/ βιοαερίου Οι λέβητες αερίου χρησιμοποιούν ως καύσιμο το φυσικό αέριο ή το βιοαέριο. Στην πρώτη περίπτωση δε χρειάζεται δεξαμενή αποθήκευσης. Γενικά η καύση στους λέβητες αυτούς έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από ότι στους λέβητες πετρελαίου, εφόσον το καύσιμο είναι ήδη σε αέρια κατάσταση. Σε μικρές μονάδες είναι συνηθισμένο ο καυστήρας να είναι ενσωματωμένος στον λέβητα. Μπορεί να είναι ανοιχτού θαλάμου καύσης (ατμοσφαιρικός) ή κλειστού θαλάμου καύσης (πιεστικός). Ο βαθμός απόδοσης των συμβατικών λεβήτων αερίου κυμαίνεται από 89% έως 95%. Ενώ στις περιπτώσεις λεβήτων συμπύκνωσης μπορεί να είναι ακόμα μεγαλύτερος. Σχήμα 5. Αερολέβητας για θερμοκήπια (ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ) γ. Λέβητες στερεών καυσίμων Οι λέβητες στερεών καυσίμων μπορεί να χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα (λιγνίτη, κάρβουνο κλπ) ή να καίνε τυποποιημένη και μη-τυποποιημένη βιομάζα (pellet, πριονίδια, κουκούτσια, τσόφλια, πυρηνόξυλο, κλαδοδέματα κλπ). Σε κάθε περίπτωση ο βαθμός απόδοσης είναι μικρότερος από ότι στα υγρά και τα αέρια καύσιμα. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ύπαρξη κατάλληλου χώρου αποθήκευσης του στερεού καυσίμου καθώς και η δυνατότητα αυτόματης τροφοδοσίας. Σημαντικό πρόβλημα είναι η αποκομιδή της τέφρας. Ο βαθμός απόδοσης δε μπορεί να υπερβαίνει το 90%. 7

Σχήμα 6. Τροφοδοσία λέβητα στερεών καυσίμων (καύση πυρήνα, ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ) 2 Αντλίες θερμότητας Ένας άλλος τρόπος παραγωγής θερμότητας είναι με τη χρήση της αντλίας θερμότητας η οποία όπως έχει αναφερθεί καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια. Η ίδια αντλία μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για παραγωγή θερμότητας είτε για την παραγωγή ψύξης. Στις περισσότερες περιπτώσεις θερμαίνει ή ψύχει αέρα, ο οποίος διανέμεται στον χώρο με αεραγωγούς, αλλά είναι δυνατό να χρησιμοποιεί και νερό ως μέσο διανομής. Με τις αντλίες θερμότητας μπορούμε να αντλήσουμε θερμότητα από μια δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας και να τη μεταφέρουμε σε μια δεξαμενή υψηλότερης θερμοκρασίας. Η λειτουργία τους βασίζεται στον ψυκτικό κύκλο ενός ψυκτικού ρευστού. Μπορεί να είναι αερόψυκτες ή υδρόψυκτες ανάλογα με τον εναλλάκτη που χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση του ψυκτικού ρευστού. Ο βαθμός απόδοσης (μετατροπής) του όλου ψυκτικού κύκλου μπορεί να κυμαίνεται από 1.5 έως 6 και λέγεται Coefficient of Performance (COP). 8

Σχήμα 7. Αρχή λειτουργίας και τυπική μορφή μιας αντλίας θερμότητας Σύστημα διανομής θερμότητας Το σύστημα διανομής θερμότητας είναι αυτό που μεταφέρει τη θερμότητα από το σύστημα παραγωγής, στο σύστημα απόδοσης. Μπορεί να αποτελείται από σωληνώσεις νερού ή αέρα. Το σύστημα αυτό θα πρέπει να είναι εξοπλισμένο με κυκλοφορητές ή ανεμιστήρες για την υπερνίκηση της πτώσης πίεσης μέσα στο δίκτυο. Η παροχή του δικτύου και η θερμοκρασία του μέσου θέρμανσης, καθορίζονται από τις θερμικές απαιτήσεις. Σημαντικό θέμα είναι η μόνωση του δικτύου, κυρίως κατά τη διέλευσή του από μη θερμαινόμενους χώρους. 1 Σωληνώσεις ζεστού νερού Κατά τη διέλευση του δικτύου μέσα σε εξωτερικούς χώρους, υπάρχει απώλεια θερμότητας μέσω συναγωγής (κυρίως). Συνεπώς το δίκτυο δε μπορεί να μεταφέρει όλη τη θερμότητα που παράχθηκε στη μονάδα παραγωγής θερμότητας. Συνήθως οδηγεί το ζεστό νερό σε τερματικές μονάδες. Ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από τη μεταφερόμενη θερμική ισχύ και από τη θερμομόνωση και μπορεί να κυμαίνεται από 86% έως 98%. 2 Σωληνώσεις ζεστού αέρα Και στην περίπτωση των αεραγωγών, υπάρχουν θερμικές απώλειες ενέργειας, μόνο που σε αυτήν την περίπτωση η απόδοση της θερμότητας γίνεται απευθείας από τον θερμό αέρα χωρίς την παρεμβολή τερματικής μονάδας. Ο βαθμός απόδοσης μπορεί να κυμαίνεται από 90% έως 99%. 9

Σύστημα απόδοσης θερμότητας Το σύστημα απόδοσης θερμότητας (τερματική μονάδα) είναι η διάταξη με την οποία μεταφέρεται η θερμότητα στον προς θέρμανση χώρο. Στη γενική περίπτωση μπορεί να είναι ένα σώμα καλοριφέρ. Στην περίπτωση των κτηνοτροφικών κτηρίων τα πιο συνηθισμένα συστήματα απόδοσης είναι το επιδαπέδιο σύστημα (για την περίπτωση του ζεστού νερού (Σχήμα 8) και οι αεραγωγοί (για την περίπτωση του ζεστού αέρα). Σχήμα 8. Δίκτυο διανομής ζεστού νερού στο θερμοκήπιο (ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ) Επιδαπέδιο ή ενδοδαπέδιο σύστημα Στην περίπτωση του ενδοδαπέδιου συστήματος κάτω από την επιφάνεια του δαπέδου διατρέχουν σωληνώσεις με ζεστό νερό. Το αποτέλεσμα είναι όλο το δάπεδο να γίνεται ένα σώμα απόδοσης θερμότητας. Ο βαθμός απόδοσης μπορεί να είναι 90%. Σημαντικό είναι να σημειωθεί ότι σε αυτήν την περίπτωση το ζεστό νερό έχει χαμηλή θερμοκρασία (40-45 o C). Για τον λόγο αυτό τέτοια συστήματα μπορούν να συνδυαστούν με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. 10

Σχήμα 9. Ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης Αεραγωγοί Όπως έχει ήδη αναφερθεί οι αεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά θερμού αέρα και δε χρειάζονται κάποιο ιδιαίτερο σύστημα απόδοσης της θερμότητας. Υπολογισμός ισχύος συστημάτων παραγωγής θερμότητας Μετά τον υπολογισμό των θερμικών απωλειών ενός κτηνοτροφικού κτηρίου υπολογίζεται η απαιτούμενη ισχύς του συστήματος παραγωγής θερμότητας. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι απώλειες των επιμέρους υποσυστημάτων (σύστημα παραγωγής, σύστημα διανομής, σύστημα απόδοσης). Υπολογισμός της ισχύος του λέβητα Η απαιτούμενη ισχύς ενός λέβητα δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Q Όπου, Q n n n Q Λ : είναι η θερμική ισχύς του λέβητα [W] Q : είναι οι θερμικές απώλειες του χώρου [W] n Λ : είναι ο βαθμός απόδοσης του λέβητα n δ : είναι ο βαθμός απόδοσης του συστήματος διανομής n απ : είναι ο βαθμός απόδοσης της τερματικής μονάδας Υπολογισμός της ισχύος μιας αντλίας θερμότητας Η απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς της αντλίας θερμότητας δίνεται από τη σχέση: Όπου, Q Q COP n 11

Q : είναι οι θερμικές απώλειες του χώρου [W] Q ΑΘ : είναι η ηλεκτρική ισχύς της αντλίας θερμότητας COP : είναι o βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας n δ : είναι ο βαθμός απόδοσης του συστήματος διανομής Παράδειγμα υπολογισμού της ισχύος ενός συστήματος παραγωγής θερμότητας Να υπολογιστεί η ισχύς του συστήματος παραγωγής θερμότητας που θα πρέπει να εγκατασταθεί σε χοιροτροφείο του οποίου οι θερμικές απώλειες είναι 76678 [W], α) για την περίπτωση λέβητα με βαθμό απόδοσης 92%, βαθμό απόδοσης συστήματος διανομής 86% και βαθμό απόδοσης ενδοδαπέδιου συστήματος 90% και β) για την περίπτωση αντλίας θερμότητας με COP =2.8 και βαθμό απόδοσης του συστήματος διανομής είναι 90%. Η ισχύς του λέβητα θα βρεθεί από τη σχέση: Q Q 76678 107681[ W], άρα απαιτείται λέβητας 108 kw n n n 0.92 0.86 0.9 2.7.2 Η ισχύς της αντλίας θερμότητας θα βρεθεί από τη σχέση: Q Q 76678 30427.78 [ W], άρα απαιτείται αντλία θερμότητας COP n 2.8 0.9 ηλεκτρικής ισχύος 30.5 kw. Εργαστηριακή άσκηση Να υπολογιστεί η ισχύς του λέβητα που θα μπορούσε να καλύψει τις θερμικές απώλειες του πτηνοτροφείου του ΤΕΙ Θεσσαλίας. Να ληφθεί ως βαθμός απόδοσης του λέβητα το 84% και ως βαθμός απόδοσης του συστήματος αεραγωγών το 92%. 12