ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΚΑΤΑΝΆΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΑ ΚΑΙ Δ ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΒΕΛ ΤΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Α.l\1αντόβαλς,σπυδαστής Επιβλέπων καθηγητής: Κ. Ψωμόπυλς, αν. Καθηγητής - ---------- Β18ΛΙΟΘΗΚΗ ΤΕ Ι ΠΕΙΙ'ΑIΑ Αθήνα, Ιύνις 2014

2

Ευχαριστίες Στ σημεί αυτό αισθάvμαι την ανάγκη να εκφράσω τις ειλικρινείς και θερμές ευχαριστίες μυ σε όσυς συνέβαλαν στηv λκλήρωση αυτής της πρσπάθειας: Πρώτα απ' όλα, στν καθηγητή μυ, Δρ. Κ Ψωμόπυλ, αν. Καθηγητή τυ τμήματς Ηλεκτρλόγων Μηχαvικών ΤΕ, τυ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ, για τη συνεχή καθδήγηση, τηv αμέριστη υπστήριξη, τις υσιώδεις συμβυλές, καθώς και τηv αδιάκπη συμπαράσταση και εvθάρρυνση πυ μυ παρείχε σε όλ αυτό τ διάστημα. Επίσης στν καθηγητή τυ τμήματς Ηλεκτρλόγων Μηχανικών ΤΕ, τυ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ, Δρ. r. Ιωαννίδη αν. Καθηγητή, καθώς καt στη Διίκηση της Αθηναϊκής Κλ~vικής, ιδιαίτερα τυς Διευθυvτές μυ κ.κ. Ε. Θωμόπυλ καt Τ. Τζαvετάκ, για τηv πλύτιμη βήθεια και υπστήριξη τυς στην λκλήρωση της πτυχιακής μυ εργασίας. Ευχαριστώ τυς συvαδέλφυς μυ, αλλά τυς φίλυς μυ, για τηv ηθική υπστήριξή τυς και τηv κατανόησή τυς, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια τωv τελευταίωv μηvών της πρσπάθειάς μυ. Πάvω απ' όλα, είμαι ευyvώμωv σε εκείvυς πυ με τηv καθημεριvή τυς συμπαράσταση και την θετική τυς σκέψη, συvέβαλαv στην εκ.πλήρωση τυ στόχυ μυ : τηv ικγένειά μυ. Ιδιαίτερα στη γυναίκα μυ Σίσσυ για τηv λόψυχη αγάπη, τηv υπμνή και υπστήριξή της όλα αυτά τα χpόvια, καθώς και στα παιδιά μυ Νικόλα και Χρήστ. 3

Περίληψη Πρόλγς ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 6 7 Κεφάλαι ΠΡΩΤΟ 8 Θεωρητικό Υπόβαθρ 9 1.1 Ενtργεια: Εννιλγικό πλαίσι 9 1.2 Ηλεκτρική Ενtργεια 12 1.3 Ενεργειακό Πρόβλημα 15 1.4 Κατανάλωση Ενtργειας 19 1.5 Ενεργειακή Ανάλυση Συστημάτων 23 1.6 Ενεργεριακή Απόδση και Κτίρια 30 1.7 Εξικνόμηση Ενtργειας σε Κτίρια 37 1.8 Νμθεσία για την Ενεργειακή Απόδση των 41 Κτιρίων 1.9 Συστήματα Διαχείρισης Ενtργειας Κτιρίων 41 1.10 Παραδείγματα Εξικνόμησης Ενtργειας Κτιρίων 46 1.11 Σόνψη 49 Αναφρtς 49 Κεφάλαι ΔΕΥΤΕΡΟ 51 Ηλεκτρικtς Καταναλώσεις σε Νσκμεία 52 2.1 Ηλεκτρική Ενtργεια και Κατανάλωση 52 2.2 Εισαγωγή στις Εσωτερικtς Ηλεκτρικtς 53 Εγκαταστάσεις 2.3 Ιατρικtς Ηλεκτρικtς Εγκαταστάσεις 55 2.3.1 Ασφάλεια και Πρστασία 66 2.3.2 Παράδειγμα Εγκατάστασης: Αίθυσα 67 μικρεπεμβάσεων 2.4 Εξικνόμηση Ενtργειας και Νσκμεία 70 2.5 Σόνψη 75 Αναφρtς 75 Κεφάλαι ΤΡΙΤΟ 77 Εγκατάσταση Νσκμείυ «Αθηναϊκή Κλινική» 78 3.1 Εισαγωγή 78 3.2 Περιγραφή Η/Μ Εγκαταστάσεων 80 4

3.2.1 Παρχές 80 3.2.2 Μηχανλγικές Εγκαταστάσεις 80 3.2.2.1 Ύδρευση και Απχέτευση 80 3.2.2.2 Θέρμανση-Κλιματισμός-Αερισμός 82 3.2.2.3 Ανελκυστήρες 83 3.2.2.4 Ιατρικά Αέρια 89 3.2.2.5 Πυρανίχνευση 89 3.2.3 Ηλεκτρλγικές Εγκαταστάσεις 91 3.2.3.1 Βασικά Στιχεία Ηλεκτρικής 93 Εγκατάστασης 3.2.3.2 Ηλεκτρφωτισμός-Κίνηση 99 3.2.3.3 Εγκατάσταση Τηλεφώνων-Data 103 3.2.3.4 Εγκατάσταση συστήματς κλήσης 104 Αδελφής 3.2.3.5 Εγκατάσταση Ηλεκτρικών Ωρλγίων 106 3.2.3.6 Εγκατάσταση Ραδιφώνυ-Τηλεόρασης 107 3.2.3.7 Εγκατάσταση Μεγαφώνων 107 3.2.3.8 Εγκατάσταση Ενδσυνεννόησης 107 3.3 Σύνψη 108 Αναφρές 108 Κεφάλαι ΤΕΤ ΑΡΤΟ 109 Καταγραφή-Ανάλυση Δεδμένων 110 4.1 Εισαγωγή 110 4.2 Πειραματικός Σχεδιασμός 111 4.3 Ανάλυση Ηλεκτρικών Πινάκων 112 4.4 ΑνάλυσηΑνωμαλιών (γεγνότα καταγραφής) 187 Κεφάλαι ΠΕΜΠΤΟ 189 Συμπεράσματα και Πρτάσεις 190 5.1 Συμπεράσματα 190 5.2 Πρτάσεις 200 Βιβλιγραφία 205 Παράρτημα 206 1. METREL 207 2. ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ 214 3. ΣΧΕΔΙΑ ΕΓΚΑΤ ΑΣΤΑΣΕΩΝ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟΥ 218 4. ΠΙΝΑΚΕΣ ΥΠΟΛΟΠΣΜΟΥ ΦΟΡΓΙΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ 221 5

Περίληψη Τ νσκμεi απτελεί ένα ιδιαίτερ περιβάλλν με υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις πυ αντιστιχύν στις ανάγκες μιας μικρής πόλης. Η εξικνόμηση ενέργειας στ νσκμεί συνδέεται με τ κτιριακό κέλυφς, τα συστήματα θέρμανσης-ψύξης, τν φωτισμό και την ηλεκτρική εγκατάσταση. Στην παρύσα εργασία παρυσιάζεται η νσκμειακή μνάδα «Αθηναϊκή Κλινική», η τεχνική εγκατάσταση της, καταγράφνται μετρήσεις επί τυ ηλεκτρικύ δικτύυ της και διερευνώνται ι αρμνικές πυ παρυσιάζνται. Τα ευρήματα των μετρήσεων έδειξαν ότι ι Πίνακες των Χειρυργείων (χρήση ιατρικών μηχανημάτων & και φωτισμύ), ι πίνακες των δώματων (κλιματισμός) είχαν τα μεγαλύτερα φρτία. Από την άλλη ι αντίστιχι πίνακες είχαν και τ μεγαλύτερ αριθμό γεγνότων ανωμαλιών (πτώσεων τάσεων) και πότε χρήζυν την μεγαλύτερη παρέμβαση έτσι ώστε να βελτιστπιηθεί τ παραγόμεν ενεργειακό φρτί. Για την εξικνόμηση ενέ ργειας πρτείνεται αλλαγές στ φωτισμό, χρήση ηλιακών πάνελ για την θέρμανση τυ νερύ χρήσης και κλιματισμύ, εισαγωγή πυκνωτών στ δίκτυ και τέλς χρήση ενεργών φίλτρων για απμάκρυνση των αρμνικών. Λέξειs Κλειδιά: Ενέργεια, εξικνόμηση ενέργειας, αρμνικές, περιβάλλν 6

Πρόλγς Η αλόγισrη χρήση της ενέργειας δεν έχει μόν ως απτέλεσμα την δραστική μείωση των ενεργειακών πόρων αλλά και την απαξίωση τυ περιβάλλντς. Η εξικνόμηση ενέργειας συνδέεται άμεσα με την ενεργειακή απόδση ενός συστήματς. Στα κτίρια απαιτείται επέμβαση σr κτιριακό κέλυφς, σrα συστήματα θέρμανσηςψύξης, σrν φωτισμό και γενικότερα στην ηλεκτρική εγκατάσταση μίας κατικίας ή ενός μεγάλυ κτιρίυ με σrόχ την πι ρθλγική χρήση της ενέργειας ώσrε να αξιπιύνται καλύτερα ι ενεργειακές πηγές και να περιρίζνται ι όπιες επιπτώσεις στ περιβάλλν. Ειδικότερα, η Αθηναϊκή Κλzv~κή (Mediclinic) είναι μία νσκμειακή μνάδα πυ διαθέτει όλες τις ιατρικές ειδικότητες και λκληρωμένες ιατρικές υπηρεσίες. Στην παρύσα εργασία εστιάζυμε στην συγκεκριμένη νσκμειακή μνάδα ως εξής: παρυσιάζντας τ θεωρητικό υπόβαθρ σχετικά με την ενέργεια και τις παρεμβάσεις πυ απαπτύνται για την εξικνόμηση ενέργειας, παρυσιάζντας την εγκατάσrαση της συγκεκριμένης νσκμειακής μνάδας, λαμβάνντας μετρήσεις επί τυ ηλεκτρικύ δικτύυ της, και αναλύντας τα απτελέσματα και πρτείνντας λύσεις για εξικνόμηση ενέργειας. 7

Κεφάλαι ΠΡΩΤΟ 8

Θεωρητικό Υπόβαθρ 1.1 Ενέργεια: Εννιλγικό πλαίσι Όπως είναι γνωστό, τ ενεργειακό πρόβλημα είναι ένα από τα πλέν σημαντικά θέματα πυ απασχλύν την παγκόσμια κινότητα. Η ενέργεια είναι ένα κινωνικό αγαθό, πυ εξυπηρετεί κινωνικές και αναπτυξιακές ανάγκες, παρυσιάζει συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση, ενώ ι επιπτώσεις της από τη χρήση της στ περιβάλλν είναι καθριστικές. όρς πυ χρησιμπιείται διεθνώς με την λέξη «ενέργεια» (energy), εμπεριέχει την πρόθεση «εν» (εντός) και τ υσιαστικό όνμα «έργ». Στην αρχαία ελληνική φιλσφία η σύνθεση αυτών των δύ μερών «εν» & «έργ» εκλαμβάνεται ως «θετική πράξη». Ο Αρισττέλης, χρησιμπίησε τν όρ με την έννια της «δράσεως», ή της «λειτυργίας», ή της «δύναμης». Από την άλλη, Διόδωρς Σικελιώτης, θεωρύσε την ενέργεια ως τη δύναμη μίας μηχανής. Επίσης, η έννια της ενέργειας χρησιμπιήθηκε στ παρελθόν για να εξηγήσει τα ρατά φαινόμενα: επιδράσεις πυ πρέκυπταν από ιδιότητες αντικειμένων ή πιεσδήπτε άλλες μεταβλές πυ λάμβαναν χώρα στ φυσικό περιβάλλν (Φαναριώτης, 2009; Μαλεβίτη, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999). Η ενέργεια εκφράζεται με την πράξη, την κίνηση, την πρσπάθεια, την δύναμη ή την ικανότητα ενός σώματς για την παραγωγή κάπιυ έργυ. Ειδικότερα, στις φυσικές επιστήμες, η ενέργεια εκφράζεται με τ έργ τ πί μπρεί να απδώσει μία δύναμη (βαρυτική, ηλεκτρμαγνητική κ.α. ). Λόγω της πικιλίας των δυνάμεων πυ επενεργύν στην διαδικασία παραγωγής έργυ, η ενέργεια πρσλαμβάνει πλλές και διαφρετικές μρφές όπως κινητική, δυναμική, ηλεκτρική, θερμική, μαγνητική, χημική, ηλιακή, πυρηνική κλπ. Επιπλέν, θεωρείται ως ένα σταθερά πρσδιρισμέν φυσικό μέγεθς, δηλ. ύτε δημιυργείται ύτε καταστρέφεται, αλλά μπρεί να μετατραπεί από μία μρφή σε άλλη. Αυτό συνεπάγεται ότι, με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η συνλική ενέργεια πυ υπάρχει στ σύμπαν παραμένει πάνττε διαρκής και σταθερή (Φαναριώτης, 2009; Schwaller, Gilberti, 1999). Στ πλαίσι της επιστημνικής έρευνας, τ ακριβές περιεχόμεν της ενέργειας και των μετασχηματισμών της πικίλει από μία φυσική επιστήμη στην άλλη. Στη φυσική, η ενέργεια ταυτίζεται με τη μεταβλή θέσεως ή της κινήσεως ενός αντικειμένυ, η πία πρκαλείται μέσω της δράσεως μίας δυνάμεως, ενώ στη Χημεία, σχετίζεται με τη ρή ηλεκτρνίων και των πρωτνίων στα άτμα και στα μόρια. Για την κίνηση αυτών των ηλεκτρνίων και των πρωτνίων επενεργύν δυνάμεις Coulomb, ενώ η ενέργεια πυ αναπτύσσεται με την εξέλιξη αυτής της αλλαγής, νμάζεται χημική ενέργεια. Εξίσυ διαφρετικές μρφές μετασχηματισμών διακρίνυμε και σε άλλες επιστήμες: Ο βιλγία, μετεωρλγία, αστρνμία και κσμλγία. Οι μέθδι πυ χρησιμπιύνται για την μέτρηση της ενέργειας βασίζνται σε τεχνικές πυ εφαρμόζνται για τν υπλγισμό ακόμα πι θεμελιωδών μεγεθών της επιστήμης όπως της μάζας, της απόστασης, της ακτινβλίας, της θερμότητας, τυ χρόνυ, των ηλεκτρικών φρτίων κλπ. (Edminister, 1980; Φαναριώτης, 2009; Οικνόμυ, Καρβυνιάρη, 2010). Στ πλαίσι της ικνμικής και βιμηχανικής δραστηριότητας, όρς ενέργεια δεν ταυτίζεται εννιλγικά με τν αντίστιχ όρ πυ χρησιμπιείται στην Φυσική, αλλά είναι συνώνυμη με τις πηγές ενέργειας ι πίες συνήθως ταυτίζνται με τα ρυκτά καύσιμα και τις πάσης φύσεως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η ενέργεια με την έννια 9

πυ εκλαμβάνεται στ ικνμικό επίπεδ είναι ένα ασταθές μέγεθς, πυ σχετίζεται με τις εκάσττε διαθέσιμες πηγές ενέργειας. Για τ λόγ αυτό, η ανάγκη διατήρησης της ενέργειας στ πλαίσι της ικνμικής δραστηριότητας μέσω της εξικνόμησης πηγών ενέργειας, απτελεί κρίσιμ ζητύμεν (Φαναριώτης, 2009). Οι πηγές ενέργειας διακρίννται σε δύ βασικές κατηγρίες (Φαναριώτης, 2009; Schwaller, Gilberti, 1999): Ανανεώσιμες: είναι μρφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας πυ πρέρχνται από διάφρες φυσικές διαδικασίες, πυ ανανεώννται συνεχώς με φυσικό τρόπ (π. χ. ηλιακή, αιλική, κυματική κλπ.), ή πρέρχνται από τεχνικές διαδικασίες πυ ανανεώννται συνεχώς με τεχνικό τρόπ (π.χ. βιμάζα, πυρηνική ενέργεια). μη Ανανεώσιμες: εντάσσνται πηγές ενέργειας, ι πίες υπάρχυν στη Γη ως ρυκτά καύσιμα (π.χ. πετρέλαι, άνθρακας, φυσικό αέρι) πυ δεν αναπαράγνται. Η παραγωγή και κατανάλωση των πηγών ενέργειας απτελεί γεγνός μεγάλης σημασίας για την ικνμία, λόγω ότι, όλη η ικνμική δραστηριότητα, πυ αναπτύσσεται παγκόσμια, πρϋπθέτει τη χρησιμπίηση ανάλγων πηγών ενέργειας όπως παραγωγή αγαθών (βιμηχανία), μεταφρές (πλία, αερπλάνα, χήματα, τρένα), ικιακή λειτυργία, λειτυργία ηλεκτρικών, ηλεκτρνικών και μηχανικών συσκευών κ.α. Απτέλεσμα αυτής της ανάγκης είναι η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών εξικνόμησης ενέργειας από επιχειρήσεις, ργανισμύς και εθνικά κράτη. Τ κόστς των πηγών ενέργειας εξαρτάται από τη ζήτηση και τις συνθήκες παραγωγής τυς σε καθεμία συγκεκριμένη χρνική περίδ, ενώ η δυσκλία εξασφάλισης φθηνών καυσίμων ή φθηνής ενέργειας απτελεί θέμα κεντρικύ ενδιαφέρντς σε σχέση με τη μελλντική εξέλιξη της ενέργειας σε παγκόσμι επίπεδ (Φαναριώτης, 2009). Με δεδμέν ότι τ κόστς ενέργειας έχει εξελιχθεί σε ένα σημαντικό παράγντα στη λειτυργία των κινωνιών και ικνμιών, η διαχείριση των πηγών ενέργειας είναι κρίσιμη και αφρά την αξιπίηση των διαθέσιμων πηγών ενέργειας με τν πι απτελεσματικό τρόπ. Η απτελεσμαnκή διαχε.ίριση ενέργειας εκφράζεται με την επίτευξη τυ αρίστυ δυνατύ απτελέσματς με τ ελάχιστ ενδιάμεσ κόστς. Η διαχείριση των ενεργειακών πηγών ασκείται από εταιρείες κρατικύ κυρίως ενδιαφέρντς, των χωρών πυ διαθέτυν πηγές ενέργειας (π.χ. πετρέλαι ή και φυσικό αέρι) και από πλυεθνικές εταιρείες πετρελαίυ, πυ ρυθμίζυν διεθνώς τ κύκλωμα ενέργειας, από την εξερεύνηση των κιτασμάτων μέχρι τη διανμή τυ πρϊόντς στν καταναλωτή (Φαναριώτης, 2009). Η φύση των πηγών ενέργειας πρσδιρίζει και τυς τρόπυς μεταφράς τυς, ενώ η μεταφρά συνιστά μία εξίσυ σβαρή διαδικασία ιδίως διότι ι πηγές ενέργειας γενικώς βρίσκνται σε απμακρυσμένα μέρη από τυς τόπυς κατανάλωσης. Μερικές πηγές ενέργειας, όπως τα υγρά καύσιμα μεταφέρνται μέσω ειδικών πλίων (τάνκερ), ενώ η ηλεκτρική ενέργεια, μέσω κατάλληλων δικτύων ενσύρματης μεταφράς. Η μεταφρά ενέργειας, απτελεί ένα σύνθετ θέμα, πυ απασχλεί πλλές επιστημνικές ειδικότητες (μηχανικύς, περιβαλλντλόγυς, ικνμλόγυς κλπ.) λόγω της επικινδυνότητας για τ γύρω πληθυσμό και τ φυσικό περιβάλλν (Αμπελιώτης, 2008; Claus-Dieter, 1993). Η συνεχώς αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας σε παγκόσμι επίπεδ, επιδρά αρνητικά τόσ στ περιβάλλν όσ και στην ανθρώπινη υγεία. Για παράδειγμα, από την καύση τυ ξύλυ τα σωματίδια πυ εκπέμπνται στην ατμόσφαιρα, επιδρύν αρνητικά στην ανθρώπινη υγεία. Τ διξείδι τυ θείυ (502) πυ απελευθερώνεται κατά την ενεργειακή αξιπίηση τυ άνθρακα ή τυ πετρελαίυ δημιυργεί την όξινη βρχή. Οι εκπμπές 10

διξειδίυ τυ άνθρακα (C02) κατά την καύση όλων των ρυκτών καυσίμων συνιστύν την κυριότερη αιτία υπερθέρμανσης τυ πλανήτη (φαινόμεν τυ θερμκηπίυ). Παράλληλα, η κατασκευή και λειτυργία υδρηλεκτρικών σταθμών είναι συνυφασμένη πλλές φρές με την μετακίνηση χιλιάδων ανθρώπων και την καταστρφή μεγάλης έκτασης δασών και ελάττωση της τπικής βιπικιλότητας.επιπλέν, η αναπόφευκτη αύξηση τυ πληθυσμύ της γης (>10 δισ. τ 2050), μαζί με τηναναμενόμενη άνδ τυ βιτικύ επιπέδυ των αναιπυσσόμενων κρατών, αναμένεται να έχει ως συνέπεια την ακόμη μεγαλύτερη κατανάλωση ενεργειακών πόρων, με τις γνωστές επuπώσεις στ περιβάλλν (Αμπελιώτης, 2008; Claus-Dieter, 1993; Φαναριώτης, 2009). Οι εvεργειακi πόρι απτέλεσαν τ θεμέλι λίθ τυ δυτικύ πλιτισμύ. Η βιμηχανική επανάσταση βασίστηκε αρχικά στ γαιάνθρακα και η δραματική εξέλιξη τυ βιτικύ επιπέδυ της ανθρωπότητας από τα τέλη τυ 19υαιώνα και σε όλη τη διάρκεια τυ 2()υ αιώνα φείλεται σε σημαντικό βαθμό στη χρήση τυ πετρελαίυ και τυ φυσικύ αερίυ. Έτσι, παρατηρείται σαφής συσχέτιση τυ βιτικύ επmέδυ μιας χώρας και της κατανάλωσης ενέργειας. σχετίζεται με την κατανάλωση ενέργειας (Σχ.1. 1). Επmρόσθετα, τ πρσδόκιμ επιβίωσης φαίνεται και αυτόνα Ωστόσ, διαπιστώννται και κάπιες ιδιαιτερότητες πυ έχυν σχέση με την τπική ιστρία ενός λαύ, αλλά και με τις ιδιαίτερες γεωγραφικές και κλιματικές συνθήκες (Ανδρίτσς, 2008). c φ "' 1 ~ ; 8 1 ~ ---------------- ~ - ~ ---~-=-----~---- ~- ----~---:;;~η- -~ ---- τ----------------------1 i! j Ϊ r e j USλ (-ij i,,,...=:=~ϊ~1~.:.-~ - - -----~ ϊ:ιssr" ϊ!4- - - j- : - - - - - --~,! i i i' ~ j 'NOrtd λv.erag8' i j! ~ ι sγ 1 - - - - - - -t - -- -- - - - -r- - - -- -- - -j ί i!! i ί! ί (1 0).ι [ j ι! 1 ( 9J 1! 1 1 1 - - - --... t -- - - - -!- - - - -- -1 i! ί! i! j i! ~ i i!! i! ~-+-~~~---~~i~~~~~+~~~~~~~~i--~~~~-;ί 3,0 00 δ,000 9,000 1 2,000 E leetric~ Oonsι.rnp tion p&r capta, 1 987 (k'nh) Σχήμα 1.1 Τ πρσδόκιμ επιβίωσης αυξάνει αναλγικά με την κατανάλωση ενέργειας (2000 kwh κατά κεφαλήν -> 70 χρόνια πρσδόκιμ επιβίωσης), (!!!ri!thttp://www.geni.org/ energy /library) Μερικές τεχνλγίες πυ σχετίζνται με της ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν μλύνυν τ περιβάλλν, τυλάχιστν στν βαθμό πυ τ μλύνυν άνθρακας, τ πετρέλαι ή παράγωγα τυς. Έτσι, αυτές ι τεχνλγίες μπρεί να συμβάλλυν σε ένα καθαρότερ ενεργειακό μέλλν, παρόλ πυ από πλευράς περιβαλλντικών ργανώσεων έχυν τεθεί σβαρί πρβληματισμί για την «καθαρότητα» ρισμένων από αυτές όπως π.χ. πυρηνική ενέργεια. Στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πυ χρησιμπιύνται για την παραγωγή ηλεκτρισμύ περιλαμβάννται η ηλιακή ακτινβλία, η ισχύς πυ παράγεται από τις θαλάσσιες παλιρρϊκές κινήσεις ή τν κυματισμό, ι αερστρόβιλι, 11

ι υδατπτώσεις και πι σύγχρνες, όπως ι κυψέλες καυσίμων (fuelcells). Όμως, ακόμα και σε αυτές τις τεχνλγίες, σύμφωνα με τις απόψεις μερίδας ειδικών τυ περιβάλλντς, η ρύπανση πρκαλείται ως ένα βαθμό μέσω της κατασκευής και απόρριψης των υλικών τα πία σχετίζνται με τις διαδικασίες λειτυργίας των συστημάτων πυ χρησιμπιύνται από νέες τεχνλγίες. Πάντως, η υιθέτηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας απτελεί τη μόνη λύση στ ξύ πρόβλημα της ρύπανσης πυ αντιμετωπίζει η παγκόσμια κινότητα, σήμερα (Ανδρίτσς, 2008; Αμπελιώτης, 2008; Claus-Dieter, 1993; Φαναριώτης, 2009). Δεδμένυ ότι, η ενέργεια παίζει κρίσιμ ρόλ στην σημερινή τπική και διεθνή ικνμία, και έλεγχς των πηγών ενέργειας απτελεί ένα συνεχώς αυξανόμεν παράγντα ευημερίας, ι κυβερνήσεις των κρατών φρντίζυν να εξασφαλίσυν μέσω των διεθνών συνεργασιών, τις αναγκαίες πηγές ενέργειας για την μαλή λειτυργία της παραγωγής τυς αλλά και της ικιακής κατανάλωσης. Ταυτόχρνα, στ εσωτερικό, επιδιώκυν την άσκηση επιρρής στην κατανμή των πηγών ενέργειας μεταξύ διαφόρων κινωνικών μάδων μέσω τυ μηχανισμύ των τιμών ή μέσω συστήματς επεξεργασίας και διανμής ενέργειας. Λόγω, των ενεργειακών κρίσεων αλλά και της συνεχώς αυξημένης ανάγκης για ενέργεια, ειδικά η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ), πρσπαθεί να καθρίσει ένα πλαίσι κινής ενεργειακής πλιτικής για όλα τα κράτη-μέλη της (Φαναριώτης, 2009). 1.2 Ηλεκτρική Ενέργεια Η ηλε.κτρική ενέργεzα είναι η ενέργεια πυ μεταφέρει τ ηλεκτρικό ρεύμα, και πυ αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινύμενων ηλεκτρνίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφράς δυναμικύ στα άκρα ενός αγωγύ. Όταν γίνεται χρήση τυ ηλεκτρισμύ, η ηλε.κτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλη μρφή ενέργειας π.χ. σε φως όταν ανάβει ένας λαμπτήρας ή σε κινητική ενέργεια όταν λειτυργεί ένας κινητήρας. Ο σύγχρνς κόσμς εξαρτά την επιβίωση και την ευημερία τυ, αφύ η πλεινότητα των συσκευών (υπλγιστής, κυζίνα, τηλεόραση κλπ.) λειτυργεί με ηλεκτρικό ρεύμα, από την ηλεκτρική ενέργεια (Φαναριώτης, 2009; Μαλεβίτη, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999). Υπάρχυν πλλί τρόπι παραγωγής ηλε.κτρικής ενέργειας (Σχ.1.2). Οι κυριότερι είναι η καύση διαφόρων υσιών (λιγνίτης, πετρέλαι, κάρβυν), τα πυρηνικά εργστάσια, τα ηλιακά πάρκα, τα υδρηλεκτρικά φράγματα και τα αιλικά πάρκα. Τα τελευταία 20 χρόνια γίννται έντνες πρσπάθειες αύξησης τυ πσστύ ηλεκτρικής ενέργειας πυ παράγεται με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) (Φαναριώτης, 2009). 12

stm 275000or 400 000 νd1s Λ ιφ ιndustryλowns 11000νd1S chellical energy moc 11echanical e:ectrical gιnrator eriergy energy energy ~oιmer \ 33 00) 11 000 4151240 νolts vo!ts νο5 Σχήμα 1.2 Σύστημα παραγωγής, μεταφράς και διάθεσης τυ ηλεκτρισμύ (!!!J.Χ!Ί: Αντωνιάδης, 2013) Στη Γεpμαvία εγκαταστάθηκε η πρώτη μνάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Στυτγάρδη τ 1882, και ήταν σε θέση να τρφδτήσει μέχρι 30 λάμπες πυρακτώσεως, με συνλική ισχύ 1.SkW. Την ίδια επχή άρχισαν να φωτίζνται ι δρόμι τυ Βερλίνυ με ηλεκτρικές λάμπες χαμηλής ισχύς, ι πίες τρφδτύνταν από γειτνικές μνάδες παραγωγής. Τ 1885, εγκαταστάθηκε στην πόλη, πρώτς μεγαλύτερς σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, πίς είχε από την πόλη την άδεια να τρφδτεί καταναλωτές μέχρι σε ακτίνα 800 μέτρα. Σε αυτή τη περιχή είχε η εταιρεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τ δικαίωμα να τπθετεί αγωγύς για την παρχή ρεύματς (Εικ.1.1). Εικόνα 1.1 Ο Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στ Βερλίν (1885) (!!!J.Χ!Ί: http:/ /sfrang.com/historia/selida604.htm) Τ μεγάλ μεινέκτημα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η δύσκλη, σχεδόν αδύνατη μακρχρόνια απθήκευσή της. Για τ λόγ αυτό θα πρέπει να καταναλώνεται ταυτόχρνα με την παραγωγή της ή να απθηκεύεται αφύ πρώτα μετατραπεί σε άλλες μρφές ενέργειας (π.χ. χημική, δυναμική κλπ.). Η ανάγκη άμεσης κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας έχει δηγήσει στην κατασκευή ενός πλέγματς ηλεκτρικών 13

δικτύων σε όλ τν πλανήτη, έτσι ώστε να μπρεί να μεταφέρεται εύκλα, από τ σημεί παραγωγής της, στ σημεί κατανάλωσης. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενάργεια στην Ελλάδα, είναι τριφασική συχνότητας 50 Hz 240/400 V. Η τρφδσiα στ δίκτυγίνετε με συνδεδεμένες μνάδες ως εξής (Α ντωνιό:δης, 2013): μεγάλη ισχύς, μικρή ισχύς για δίκτυα διανμής, και τπικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις 240/400 V. Η Διασύνδεσητων ηλεκτρικών δικτύων παρέχει την δυνατότητα να κατασκευάζνται σταθμί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πλύ μεγάλης ισχύς και ελάττωση τυ αριθμύ εφεδρικών εγκαταστάσεων. Οι καταναλωτές είναι διασυνδεδεμένι έτσι ώστε, να εξμαλύννται ι αιχμές ισχύς, γιατί η πιθανότητα ταυτόχρνης ζήτησης μειώνετε. Η θέση των σταθμών παραγωγής πρσδιρίζετε από τα εξής κριτήρια (Ανδρίτσς, 2008; Αντωνιάδης, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999): Περιχές με νερό,συνήθως πρτιμώνται για την κατασκευή θερμηλεκτρικών σταθμών για λόγυς ψύξης. Επίσης, πυρηνικό: εργστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζνται σε περιχές με νερό. Περιχές με λιyviτη και υδατπτώσεις, χρησιμπιύνται για την επί τόπυ κατασκευή σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η ψύξη αν δεν υπάρχει νερό, γίνετε με ψυκτικύς πύργυς. Περιχές με λιθάνθρακα, πετρέλαι και φυσικά αέρια, συμφέρει να μεταφερθύν σε μεγάλες απστάσεις ώστε να εξυπηρετηθύν άλλι παράγντες όπως η σύνδεση τυ σταθμύ με τ δίκτυ και η ψύξη. Η παρυσία Οικλγικών λόγων, ενδέχεται να απτρέψει την θέση εγκατάστασης τυ σταθμύ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (υπβάθμιση φυσικύ περιβάλλντς, φαινόμενα μόλυνσης κλπ.) σε κάπια τπθεσία. Η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας, εξαρτάται από τν βαθμό τεχνλγικής ανάπτυξης της περιχής. Τα είδη των καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα εξής (Αντωνιάδης, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999): Βιμηχανία, Κίνηση - Μεταφρές, Οικιακά, Γεωργία, διάφρα και απώλειες. Οι βασικές απαιτήσεις των καταναλωτών είναι ι ακόλυθες (Αντωνιάδης, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999): αξιmστία και πιότητα της παρεχόμενης ενέργειας, η επιχείρηση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να ανταπκρίνεται στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση, και ι τιμές και η διαμόρφωση των τιμών πρέπει να δείχνυν μία συνέχεια και να μη συμβαίνυν αυθαίρετες αυξήσεις. Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας απτελείται από τα ακόλυθα τέσσερα κύρια μέρη (Αντωνιάδης, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999): παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μεταφρά ηλεκτρικής ενέργειας, διανμή ηλεκτρικής ενέργειας, και φρτία. 14

Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται στυς σταθμύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη βήθεια γεννητριών. Οι σταθμί παραγωγής βρίσκνται συνήθως μακριά από τα σημεία κατανάλωσης, πότε η ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να μεταφερθεί στα σημεία κατανάλωσης με τη βήθεια των γραμμών μεταφράς. Για να είναι ικνμική η μεταφρά ηλεκτρικής ενέργειας, θα πρέπει να γίνεται σε υψηλή τάση πράγμα πυ επιτυγχάνεται με τη βήθεια των τριφασικών μετασχηματιστών ανύψωσης τάσης. Μετά στις γραμμές μεταφράς ηλεκτρικής ενέργειας υπάρχυν ι μετασχηματιστές υπβιβασμύ της τάσης από την υψηλή τάση στη μέση τάση και στη χαμηλή τάση. Τ σύστημα διανμής ηλεκτρικής ενέργειας απτελείται από τις γραμμές διανμής μέσης τάσης και με την βήθεια των μετασχηματιστών διανμής υπβιβάζεται σε χαμηλή τάση και τις γραμμές διανμής χαμηλής τάσης πυ μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στυς καταναλωτές χαμηλής τάσης. Τα φρτία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ταξινμύνται σε βιμηχανικά, εμπρικά και ικιακά. Η πραγματική ισχύς των φρτίων εκφράζεται σε kw ή MW. Τ μέτρ τυ φρτίυ μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η ημερήσια καμπύλη φρτίυ μίας ηλεκτρικής εταιρίας είναι μία σύνθεση της ζήτησης φρτίυ των διάφρων κατηγριών καταναλωτών. Η μέγιστη τιμή τυ φρτίυ στη διάρκεια ενός εικσιτετραώρυ νμάζεται ημερήσια αιχμή φρτίυ ή μέγιστ ημερήσι φρτί (Αντωνιάδης, 2013). Γενικά, υπάρχει διαφρά στην αιχμή φρτίυ μεταξύ διαφρετικών κατηγριών καταναλωτών, η πία βελτιώνει τ συνλικό συντελεστή φρτίυ τυ συστήματς ηλεκτρικής ενέργειας. Για να λειτυργεί ικνμικά τ σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θα πρέπει να είναι υψηλός συντελεστής φρτίυ τυ συστήματς. Τα σημερινά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, έχυν τυπικύς συντελεστές φρτίυ από 55 % έως 70 %. Τα πι σημαντικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενός συστήματς ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα παρακάτω (Αντωνιάδης, 2013; Schwaller, Gilberti, 1999): τάση: νμάζυμε την μεγίστη τάση λειτυργίας μιας γραμμής μεταφράς. ισχύς βραχυκύκλωσης: νμάζυμε την συμβατική ισχύς πυ αντιστιχεί στη μεγίστη ισχύ, πυ απδίδεται στ σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση βραχυκυκλώματς μέσα σε αυτό. τάση μόνωσης: αναφέρεται στην τιμή της κρυστικής αντχής αυτύ, δηλαδή της διηλεκτρικής αντχής της μόνωσης τυ εξπλισμύ των υπσταθμών σε κρυστικές υπερτάσεις τυππιημένης μρφής. Όταν η λειτυργία ενός συστήματς ηλεκτρικής ενέργειας είναι καλή και ασφαλής, τότε λέμε ότι τ σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι σε καννική κατάσταση λειτυργίας ή μόνιμη κατάσταση λειτυργίας. Ο όρς καλή λειτυργία αφρά περισσότερ τυς καταναλωτές, ενώ όρς ασφαλής λειτυργία σχετίζεται με τ σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. 1.3 ΤΕνεργειακό Πρόβλημα Τ «Ενεργειακό Πρόβλημα» εμφανίστηκε για πρώτη φρά στις αρχές της δεκαετίας τυ '50, αλλάέγινε κρυφαί θέμα στην παγκόσμια κινότητα,με τις ενεργειακές κρίσεις της δεκαετίας τυ 1970. Τπρόβλημα μπρεί να τεθεί σε ένα πλαίσι ερωτήσεων όπως (Ανδρίτσς, 2008): 1. υπάρχει εξάντληση των συμβατικών ενεργειακών πόρων; 2. η ενεργειακή τρφδσία, αλλά και ι τιμή της ενέργειας μπρεί να μείνυν σταθερές; 15

3. επηρεάζεται η ικνμία και κινωνία από την μεταβλή της nμής των καυσίμων; Για παράδειγμα, η μεταβλή της τιμής τυ πετρελαίυ σε τρέχυσες και σταθερές τιμές από την πρώτη γεώτρηση στην Pennsylvanian μέχρι σήμερα δίνεται στ επόμεν σχήμα. WOrϊd~;e~{;.- -- - υ rwτrι ori ~~~u~~~ j EastTexas Loss of Ne1_.~, - A si-!'ln Russian J Fears of ι fiefd 1 lranian. ρ rιcι~ f ι na~ ι ~ I oit exports. shortage in US d ί scovered j suρplίes ιnι~όduc c r ι&ιs began $! - Suez lr n anl l<aq P~n n sy tva nί an [Pcod~~~ ~i~er' of : Post-vyar crlsis ~ O'V'olut i on ί nνad~ ι1nvas ι on 1 86 70 1 60 + ' 30 t 50 - t-> ~~ 1861- -6-9... 1_88-0--8-9--1-90_ 0- _0_9 1..,, 92,...,, 0-..,.2~9-...J.1-940... -4... 9-- 1-960- ---6..,,9,- 1980-89 2000-07 Σχήμα 1.3 1870-7 9 1890-99 1910-19 1930-39 1950-59 1970-7 9 1990-99 $2007 $ money of the day 1861-1944 US average. 1945-1983Arabian Light ρosted at RasTanura. 1984-2007 Brent dated. Τιμή τυ αργύ πετρελαίυ σε δλάρια Η.Π.Α. ανά βαρέλι από τ 1861 μέχρι σήμερα (!!!1.Υ!'ι ΒΡ statistical review of world energy, 2008) Η ευημερία μιας κινωνίας, σχετίζεται άμεσα με την κατανάλωση ενέργειας, όπως εκφράζεται με τ δείκτη τυ κατά κεφαλήν Ακαθάριστυ Εγχωρίυ Πρϊόντς (ΑΕrη ι. Με την είσδ στν 21 αιώνα, η παγκόσμια κινότητα, βρέθηκε αντιμέτωπη με ένα κυριλεκτικά πρωτφανές ενεργειακό αδιέξδ, τ πί απτελείται από τις παρακάτω αλληλσχετιζόμενες συνιστώσες (Σχ.1.4) (Ανδρίτσς, 2008; Tyler-Miller, 2000): πληθυσμιακή αύξηση: πληθυσμός της Γης σήμερα έχει ξεπεράσει τα 6 δισεκατμμύρια και πρβλέπεται ότι μπρεί να ξεπεράσει τα 10 δισεκατμμύρια σε 30 χρόνια (Σχ.1.5). συνθήκες διαβίωσης: η συντριπτική πλεινότητα των ανθρώπων ζυν σε συνθήκες διαβίωσης πυ μπρύν να χαρακτηριστύν από μη ικανπιητικές έως άθλιες. ανάπτυξη βιnκύ επιπέδυ: μέχρι σήμερα, η ανάπτυξη τυ βιτικύ επιπέδυ έγινε χωρίς πργραμματισμό και βασίσθηκε στην αλόγιστη χρήση μεγάλων πστήτων, σχετικά φθηνών ενεργειακών πόρων. 1 Ακαθάριστ Εθνικό Πρϊόν είναι τ εισόδημα πυ απκτύν όλι ι πλίτες ενός κράτυς ανεξαρτήτως αν ι ίδιι βρίσκνται εντό ς ή εκτός η1ς χώρας. 16

Διαθεσιμότητα ενεργειακών π όων Πληθυσμιακή αύξηση Ενεργε ιακό αδιέl;δ συ νθήκες διαβίωσης ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ανάπτυξη βιτικύ επιπέδυ Σχήμαl.4 Διαγραμματική αναπαράσταση τυ ενεργειακύ πρβλήματς.. 7!-?.,- ~- ~ - --- ~ ~~~~~~~ ;_~-=v~~γ~~ν - - Βtμ.ηχνικ.r'Ί Εηανότcιση Σχήμαl. 5 Η αύξηση τυ πληθυσμύ της γης σε σχήμα J με πρβλέψεις μέχρι τ 2100 (!!!1X!t Tyler-Miller, 2000) Σχεδόν τ 87% των αναγκών της παγκόσμιας ικνμίας και κινωνίας σε ενέργεια, πρέρχεται από την καύση ρυκτών καυσiμων (jossil fuels), δηλαδή γαιανθράκων, αργύ ππρε.λαiυ, και φυσικύ αερίυ. Απτέλεσμα αυτής της χρήσης, είναι ι τεράστιες πσότητες C02 (καθώς και άλλωνανεπιθύμητων συστατικών), πυ εκπέμπνται στην ατμόσφαιρα, και ι (Ανδρίτσς, 2008; Tyler-Miller, 2000). πίες συνεισφέρυν στ λεγόμεν «φαινόμεν τυ θερμκηπίυ» Μια άλλη διάσταση τυ πρβλήματς απτελεί η εξαvτλησιμότητα των ρυκτών καυσίμων και η μη «δημκρατική» κατανμή τυς. Λίγες χώρες διαθέτυν σχεδόν όλα τα απθέματα ρυκτών καυσίμων, όπως καταδεικνύεται για πετρέλαι στ επόμεν σχήμα: 17

Nort.h A rnerica 90 s _ & Cent. _ A rnerίca ~d~: ~a;~rasia A frica 75 A sia PaciHc 60 45 30 1 5 Σχήμα 1.6 Παγκόσμια απθέματα πετρελαίυ ανά περιχή ~: ΒΡ report, 2008) Με τυς σημερινύς ρυθμύς κατανάλωσης τ πετρέλαι αναμένεται να διαρκέσει μόν για τα επόμενα 41 χρόνια και τ φυσικό αέρι για τα επόμενα 65 χρόνια2.η αύξηση τυ πληθυσμύ της γης και η συνειδητή πρσπάθεια των αναπτυσσόμενων κρατών (κυρίως τυ τρίτυ κόσμυ: ΑψfΥlΚή, Λαπvική Αμε{Jlκή, Ν. Α. Αiα) για αύξηση τυ βιτικύ τυς επιπέδυ, θα δηγήσει αναπόφευκτα σε μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας, με συνέπεια τη μεγαλύτερη περιβαλλντική υπβάθμιση (Σχ.1.7) (Αμπελιώτης, 2008; Tyler-Miller, 2000). Αριθμός Χ Κατά κεφαλή Χ = ανθρώπων κατανάλωση φυσ ικών Συνλική περιβαλλντική επιβάρυνση Σχήμα 1.7 Η εξίσωση της επιβάρυνσης τυ περιβάλλντς~ : Tyler-Miller,1999)3 Ως συνέπεια των παραπάνω πρβλημάτων, τίθεται ως πρσω{jlνές και μόν λύσεις και ως μερική αντιμετώπιση τυ πρβλήματς, η υπκατάσταση τυ γαιάνθρακα από τ φυσικό αέρι, η ανάπτυξη της τεχνλγίας ώστε να γίνει δυνατή η ανακάλυψη νέων και η αξιπίηση «δύσκλων» κιτασμάτων πετρελαίυ και φυσικύ αερίυ. να δθεί έμφαση στις λεγόμενες «καθαρές» Επίσης, μπρεί τεχνλγίες των γαιανθράκων. Όμως, δύ είναι ι γενικές κατευθύνσεις πυ μπρύν να δώσυν τυλάχιστ μερική λύση στ να μειωθεί η περιβαλλντική ρύπανση και να απδθύνστις επόμενες γενιές αξιόλγες πσότητες ρυκτών καυσίμων. Οι κατευθύνσεις αυτές είναι ι εξής (Ανδρίτσς, 2008): (α) ρθλσy~κή χρήση της ενέpyε~ας: βελτίωση τυ βαθμύ απόδσης των ενεργειακών μετατρπών, μείωση των απωλειών θερμότητας, αντικατάσταση ενεργβόρων διεργασιών και συσκευών κλπ. (β) υπκατάσταση των ρυκτών καυiμων από nς Ανανεώσιμε ς Πηγέ ς Ενέpyε~ας (ΑΠΕ): για την σταθερότητα τυ παγκόσμιυ κλίματς απαιτείται η υπκατάσταση τυλάχιστν τυ 50% της τωρινής χρήσης των ρυκτών καυσίμων. 2 ΒΡ Company, " ΒΡ Statistical Review of World Energy, 2008" (www.bp.com). 3 Tyler Miller, Jr. G. (1999). Βιώνντας στ Περ ιβάλλν, Αpχές Πεp ιβαλλvrικών Επιστημ ών. Τόμι Ι και ΙΙ, 9η έκδση, Εκδόσεις ΙΩΝ, Αθή να. 18

1.4 Κατανάλωση Ενέργειας Από τ 1965 μέχρι τ 2005 η κατανάλωση ενέργειας αυξήθηκε περίπυ 2. 7 φρές, αντίστιχα, πληθυσμός της γης περίπυ διπλασιάστηκε. Η συνλική ενεργειακή κατανάλωση στν κόσμ αυξανόταν από τ 1974 μέχρι στ 1992 περίπυ 2% κάθε χρόν. Αντίθετα, στη δεκαετία τυ '90, η αύξηση είναι μικρότερη, αν και από τ 2000 η κατανάλωση άρχισε να αυξάνει και πάλι σημαντικά. Μόν κατά τ 2004-2005, η αύξηση έφθασε στ 2.7%. Γενικά, η κατανάλωση ενέργειας αυξάνει συστηματικά, με δύ μικρές εξαιρέσεις: τη χρνική περίδ αμέσως μετά τις δύ ενεργειακές κρίσεις τυ 19 73 και τυ 1979 (Ανδρίτσς, 2008). Τ επόμεν σχήμα δίνει παραστατικά την κατανμή των πρωτγενών μρφών ενέργειας για τ 1973 & 2006. Τ πετρέλαι παραμένει και θα παραμείνει και για τα επόμενα χρόνια, τ κυριότερ καύσιμ με συμμετχή περίπυ 34.4 % στν κόσμ και -40% στην ΕΕ. Τα στερεά καύσιμα βρίσκνται στη δεύτερη θέση, αλλά η παραγωγή φυσικύ αερίυ αυξάνει συστηματικά και σε λίγα χρόνια θα ξεπεράσει την παραγωγή των στερεών καυσίμων. Στην ΕΕ αυτή η αλλαγή συνέβη τ 1994. ενώ 1973 2006 Hydro 1.8% Coal/peσt 26.0% 6 115 Mtoe Gas 20.5% 11 741 Mtoe 1 O il 34 4% Σχήμα1.8 Κατανμή της κατανάλωσης πρωτγενύς ενέργειας ανά μρφή ενέργειας κατά τ1973 και 2006, (!!ΏΥ!LΙΕΑ Key World Energy Statistics, 2008) Οι ΑΠΕ, συμμετέχυν με πσστό μικρότερ τυ 10%, ενώ αν συνεκτιμηθεί και η μη εμπρεύσιμη βιμάζα, πυ είναι ενεργειακή μρφή ιδιαίτερα σημαντική στις περισσότερες αναπτυσσόμενες χώρες, τ πσστό της πίας δεν είναι εύκλ να εκτιμηθεί σε παγκόσμια κλίμακα, τ πσστό αυτό μπρεί να ανέλθει μέχρι και τ 14%, όπως εκτιμύν μερικί ερευνητικί ργανισμί (Α νδρίτσς, 2008). Η κατανμή των πρωτγενών ενεργειακών πηγών στην παραγωγή της ηλεκτρικής ισχύς παγκόσμια για τ 1973 & 2006 παρυσιάζεται στ επόμεν σχήμα : 19

Nucleor 3.3% Hydro 21.0 % 1973 2006 Nucleor 14.8 % O il Gσ s O il 24.7% 20.1% 5.8% 6 116 T\Xlh 1 18 930 T\Xlh 1 *Exclυdes pυπιped storo9e,. *Other inclυdes 9eotherrnσl, solor,...,;nd, cornbυstible rene.vobles & ""'os/e, σnd heot. Σχήμα 1.9 Κατανμή πρωτγενών πηγών ενέργειας στη συνλική παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τ 1973 και 2006 (!:myiι: ΙΕΑ Key World Energy Statistics 2008) Για δύ δεκαετίες πριν από τ 1973, η ενεργειακή κατανάλωση συσχετιζόταν πλήρως με την ικνμική ανάπτυξη της χώρας (ΑΕrη. Από τ 1973 μέχρι τ1986, αυτό τ πρότυπ διαφρπιήθηκε δραστικά και ενώ η ενεργειακή κατανάλωση παρέμενε πρσεγγιστικά σταθερή, η ικνμία αναπτύχθηκε κατά 40%. Για παράδειγμα, η έvταση ενέργειας των ΗΠΑ μειώθηκε κατά 40% στ παραπάνω χρνικό διάστημα (Σχ.1.10). αρχικά βιαστικά μέτρα για ενεργειακές περικπές αντικαταστάθηκαν από μακρόχρνα σχέδια για εξικνόμηση ενέργειας, ρθλγική χρήση των ενεργειακών πόρων και διείσδυση των ΑΠΕ, με απτέλεσμα τη συνεχή μείωση της έντασης ενέργειας. Τ μεγαλύτερ ίσως μέρς από τη βελτίωση τυ μεγέθυς αυτύ φειλόταν στη βελτιωμένη ενεργειακή απόδση των αυτκινήτων, των ικιακών συσκευών, των κλιματιστικών συστημάτων κλπ. Επίσης, μέρς όμως της βελτίωσης, φειλόταν και στη συνειδητπίηση των πλιτών σχετικά με τηναλόγιστη σπατάλη της ενέργειας. Οι υψηλές τιμές των καυσίμων, απτέλεσαν την κινητήρια δύναμη της αύξησης της απόδσης των συσκευών και της μείωσης της κατανάλωσης από τυς πλίτες, αλλά σημαντικό ρόλ έπαιξαν και τα κίνητρα πυ θέσπισαν ι διάφρες κυβερνήσεις. Στις ΗΠΑ και αλλύ τα κίνητρα αυτά άρχισαν να ατνύν ή και να αναιρύνται μετά την επαναφρά των τιμών τυ πετρελαίυ σε χαμηλά επίπεδα κατά τη δεκαετiα τυ '80. Μελετητές, υπστηρίζυν ότι αν δεν υπήρχε αυτή η «χαλάρωση» των μέτρων, τ σημερινό τεχνλγικό επίπεδ των ΑΠΕ και της εξικνόμησης ενέργειας θα ήταν αρκετά υψηλότερ (Α νδρίτσς, 2008). Τα 20

Σχήμα 1.10 Συσχέτιση της κατανάλωσης της ενέργειας και της ικνμίας των Η.Π.Α. από τ1960 μέχρι τ 1990 (!!!J.Y!t Brower, 1997)4 Οι διάφρες τελ~κές χρήσεις της ενέργειας ταξινμύνται συνήθως στυς παρακάτω τμείς ( Α νδρί τσς, 2008): ικιακός & εμπρικός τμέας: θέρμανση, μαγείρεμα, κλιματισμός, θερμό νερό, φωτισμός κτλ.). βιμηχανικός τμέας: χημική, μηχανυργική, μεταλλυργική και άλλες βιμηχανίες, εξόρυξη ρυκτών και καυσίμων, βιμηχανία τρφίμων κλπ. (δεν περιλαμβάνεται η ενέργεια πυ καταναλώνεται στη μεταφρά των πρώτων υλών και των πρϊόντων). τμέας μεταφρών: χήματα, πλία, αερπλάνα & τρένα (δεν περιλαμβάννται τα καύσιμα για ρισμένες δραστηριότητες, όπως τ ψάρεμα, αλλά περιλαμβάννται τα καύσιμα για τη μεταφρά πρώτων υλών και πρϊόντων της βιμηχανίας). Συμπερασματικά, ι λιγότερ ανεπτυγμένες χώρες χρησιμπιύν τ μεγαλύτερ μέρς της ενέργειας πυ καταναλώνυν για ικιακύς σκπύς. Αντίθετα, ι αναπτυγμένες χώρες χρησιμπιύν σημαντικό μέρς της ενέργειας για την ανάπτυξη της βιμηχανίας. Αν υπλγιστύν μαζί ικιακός και εμπρικός τμέας, τότε πρσεγγιστικά, η καταναλισκόμενη ενέργεια χρησιμπιείται ισόπσα στυς τρεις κύριυς τμείς, με τν τμέα των μεταφρών να κυριαρχεί τα τελευταία χρόνια. Οι γεωγραφικές και ι κλιματλγικές συνθήκες, τ επίπεδ εκβιμηχάνισης κτλ. επηρεάζυν πρφανώς τη συμμετχή των διαφόρων τμέων. Και στυς τέσσερις τμείς υπάρχει σημαντικό περιθώρι για εξικνόμηση ενέργειας (Ανδρίτσς, 2008). Η κατανάλωση πρωτγενύς ενέργειας στην Ελλάδα τα τελευταία 40 χρόνια έχει μία σημαντική αύξηση. Από τ 1965 μέχρι σήμερα, η κατανάλωση αυξήθηκε περίπυ 5 φρές, ενώ η αντίστιχη αύξηση για τν κόσμ ήταν 2. 7 φρές και για την ΕΕ 1.8 φρές. Για παράδειγμα, την δεκαετία 1996-2005 η κατανάλωση παρυσιάζει αύξηση -24%, μεγαλύτερη από τη μέση αύξηση στν κόσμ πυ ήταν 20%. Η Ελλάδα, εξαρτάται ενεργειακά από τ εισαγόμεν πετρέλαι, τ πί συμμετέχει τυλάχιστν κατά 62% στη συνλική παραγωγή πρωτγενύς ενέργειας, πσστό πυ είναι τ μεγαλύτερ στην ΕΕ. Αν και ι πηγές πρέλευσης τυ πετρελαίυ στα διυλιστήρια πικίλλυν, τ Ιράν, η Ρωσία και η Σαυδική Αραβία απτελύν τις χώρες από τις πίες εισάγνται περίπυ τα δύ τρίτα των συνλικών εισαγωγών αργύ πετρελαίυ. Η εγχώρια παραγωγή πυ αφρά τ κίτασμα Πρίνυ καλύπτει μόλις ένα πλύμικρό πσστό των αναγκών της χώρας. Τ φυσικό αέρι από την άλλη, άρχισε να διανέμεται στην Ελλάδα τ 1996 από Ρωσία και Αλγερία, και συμμετέχει με περίπυ -7% στην πρωτγενή κατανάλωση ενέργειας. Ο λιγνίτης απτελεί τ μόν εγχώρι καύσιμ και χρησιμπιείται σχεδόν απκλειστικά στην ηλεκτρπαραγωγή. Καλύτερης πιότητας άνθρακας και μικρές πσότητες κκ εισάγνται και χρησιμπιείται σε ρισμένες βιμηχανίες (τσιμεντβιμηχανίες και μεταλλυργικές). Η υδρηλεκτρική ισχύς συνείσφερε κατά 3.9% στην παραγωγή ενέργειας κατά τ 2005, με συνλική εγκατεστημένη ισχύ πυ υπερέβαινε 3000 MWe. Επίσης, εκτιμάται ότι η βιμάζα συνεισφέρει περίπυ 3% στν ενεργειακό εφδιασμό της χώρας (Ανδρίτσς και άλλι, 1999; Ανδρίτσς, 2008; Brower, 1997;Φαναριώτης, 2009). 4 Brower, Μ. (1997).Cool Energy: Renewable Solutions to Environmental Problems. MITPress. 21

Η κατανμή της κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ φαίνεται στν επόμεν πίνακα (Σχ.1.11) (Λάζς, 2008, Τύλγλυ, 2006): Πίνακας 1.1 Κατανάλωση κατανμής ενέργειας ΕΕ Κτήρια Βιμηχανία Μεταφρές 40% 28% 32% Σχήμαl.11 Κατανάλωση ενέργειας σrην ΕΕ Στην κατηγρία των κτηρίων τα 2;3 της ενέργειας φείλεται στις ικίες (26% επί τυ συνόλυ) και τ υπόλm 1;3 φείλεται στα γραφεία (14% επί τυ συνόλυ). Ενδεικτικά όσν αφρά τις ικίες, τ 77% της ενέργειας καταναλώνεται για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό ενώ κάn αντίστιχ ισχύει και για τα γραφεία. Δεδμένυ ότι δεν είναι όλα τα κτήρια φτιαγμένα με τν ενεργειακά βέλτιστ τρόπ (σωστή μόνωση κλπ.) και δεδμένυ ότι ι περισσότερι χρήστες των κτηρίων δεν κάνυν σωστή διαχείριση της ενέργειας, είναι φανερό.ότι υπάρχει.περιττή σπατάλη ενέργειας (Λάζς, 2008, Τύλγλυ, 2006). Η ΕΕ, θέλντας να τηρήσει τ.πρωτόκλλ τυ Κιότs, τ πί αναφέρεται στην μείωση των εκπμπών C02 κατά 5% (σε σχέση με τ 1990) μέχρι τ 2010, θέσπισε τ 2006 μια νέα κιντική δηγία πρς τα κράτη μέλη. Αυτή η δηγία αναφέρεται στην απόδση 5 Τ ΠρωτόκλλD τυ Κι ότ απτελεί έναν «δικό χάρτη», στν πί περιλαμβάννται τα απαραίτητα βήματα για τη μακρπρόθεσμη αντιμετώπιση της αλλαγής τυ κλίματς πυ πρκαλείται λόγω της αύξησης των ανθρωπγενών εκπμπών αερίων τυ θερμκηπίυ. 22

ενεργειακής ταυτότητας σε όλα τα κτήρια. Η βαθμλγία.πυ θα.παίρνει τ κάθε κτήρι θα απδίδεται μετά από ενεργειακή μελέτη και θα εξαρτάται από την ενέργεια πυ καταναλώνει, από την έκταση τυ σε τετραγωνικά μέτρα, από τ αν αξιπιεί σωστά την ενέργεια, από τ αν χρησιμπιεί ΑΠΕ, από τ αν μλύνει τ.περιβάλλν κ.α. (Σχ.1. 12)(Λάζς, 2008). e c... Space ιt inctucte addiltiona.j l rnor rτι atlon o n bullding energy c:o nau.ιτ>ption Σχήμαl.12 Μρφή πιστπιητικύ ενεργειακής απόδσης κτηρίυ κατηγρίας C 1.5 Ενεργειακή Ανάλση Στημάτων Η διαθεσιμότητα της κατάλληλης μρφής εvέρyεzας στν κατάλληλ τόπ και χρόν, επιτυγχάνεται μετεχvικά συστήματα, τα πία εξασφαλίζυν τόσ την μετατρπή της πρωτγενώς διαθέσιμης ενέργειας στη συγκεκριμένη χρήσιμη μρφή της, όσ και τη μεταφρά και πιθανή απθήκευσή της. Βέβαια κατά την μετατρπή μιας διαθέσιμης μρφής ενέργειας σε μιαν άλλη, δεν πρκύπτυν μόν ι επιθυμητές μρφές ενέργειας αλλά πιθανά και άλλες μρφές ενέργειας. Αυτές ι ανεπιθύμητες μρφές νμάζνται απώλειες ενέργειας (Αντωνιάδης, 2013). Στη φυσική υπάρχυν, εκτός από την ενέργεια, ένας μεγάλς αριθμός μεγεθών όπως η μάζα, η ρμή, η εvrρπi.α, η πσότητα σωματzδiων ή ακόμα και με μνωμ ένες μρφέ ς ενέργειας. Όλα αυτά τα μεγέθη έχυν τ κινό ότι, παρόλ πυ τ ισζύγιό τυς υπλγίζεται με διαφρετικές σχέσεις, μπρύν να αναχθύν σε μια βασική δμή, η πία αναφέρεται για όλα τα ισζύγια στις εξής τρεις βασικές διεργασίες (Αντωνιάδης, 2013): απθήκευση, μεταβίβαση ή μεταφρά πέρα από τα όρια τυ συστήματς, και μ ετατρπή. Από τα παραπάνω πρκύπτει η γενική μρφή ενός ισζυγίυ (Σχ.1.13): 23

Απθήκευση= Μετατρπή+ Μεταφρά (1.1) Τα ισζύγια των φυσικών μεγεθών, μπρύν να διακριθύν σε δύ κατηγρίες, ανάλγα με τ είδς τυ ισζυγίυ: στα λκληρωμένα ισζύγια, τα πία χρησιμπιύνται για λόκληρες εγκαταστάσεις ή τμήματα αυτών και για συγκεκριμέν χρνικό διάστημα, και στα διαφρικά ισζύγια, τα πία επιτρέπυν τη θεωρητική εξέταση και μντελπίηση της χρνικής και τπικής έννιας στα συστήματα. Μεταrρπή + Μεταφρά Απθήκευση ~- - Σχήμαl.13 Γενική μρφή ισζυγίυ Τ μέγεθς ισζυγίυ είναι γενικά ένα τυχαί μέγεθς Χ, τ πί είναι ανάλγ της μάζας της ύλης, και μπρεί να θεωρηθεί και μνάδα μάζας. Έτσι, μπρεί να πρστεθεί και να υπεισέλθει σε ένα ισζύγι. Στην ανάλυση ενεργειακών συστημάτων, τα σπυδαιότερα φυσικά μεγέθη πυ μπρύν να μπυν στ ισζύγι είναι: (α) μάζα m, (β) σωματίδια n, (γ) ενέργεια Ε, (δ) εντρπία S, (ε) ρμή /, (στ) και στρφρμή L. Τα μεγέθη αυτά μπρύν να είναι γραμμικά (π. χ. m, n, Ε, S, ή Εχ) ή διανυσματικά (π.χ. ], ή L) (Αντωνιάδης, 2013). Για τη μελέτη ισζυγίων, εκτός από τα μεγέθη τυ ισζυγίυ, επιβάλλεται να καθριστεί και τ πεδί ισζυγίυ μέσω συγκεκριμένων ρίων ή συνόρων, τα πία περικλείυν τ σύστημα. Ο χώρς πυ καθρίζεται από τα όρια αυτά νμάζεται σύστημα. Σε τεχνικά ισζύγια χώρς αυτός είναι συχνά ένας κλειστός όγκς ή ένα απειρελάχιστα μικρό στιχεί όγκυ. Μπρεί, όμως, να είναι και μία μηχανική εγκατάσταση, ένα τμήμα της εγκατάστασης ή συγκεκριμένες διατάξεις της εγκατάστασης. Τ πεδί ισζυγίυ δεν χρειάζεται να είναι χωρταξικά σταθερό, μπρεί να είναι και μια ρή ενός εν κινήσει στιχείυ, με όγκ dv. Καθρίζντας τ πεδί τυ ισζυγίυ, υπάρχυν κατά βάση τέσσερα (4) διαφρετικά είδη συστημάτων (Αντωνιάδης, 2013): απκλεισμένα συστήματα: σε αυτά δεν υπάρχει καμία ανταλλαγή με τ περιβάλλν. κλειστά συστήματα: σε αυτά μπρεί να ανταλλαγεί ενέργεια με τ περιβάλλν. ανιχτά συστήματα: σε αυτά μπρεί να γίνει ανταλλαγή ύλης και ενέργειας με τ περιβάλλν. αδιαβατικά συστήματα: σε αυτά δεν είναι εφικτή η μεταφρά ενέργειας από και πρς τ περιβάλλν. Όλα τα ενεργειακά ισζύγια ρίζνται για ένα πεπερασμέν χρνικό διάστημα Δt12 = t2-t1ή για ένα απειρελάχιστα μικρό χρνικό διάστημα dt. Συνεπώς, αντίστιχα πεπερασμένες (ΔΧ) ή απειρελάχιστα μικρές (dx) είναι και ι μεταβλές των μεγεθών τυ ισζυγίυ. Τ λκληρωμέν ενεργειακό ισζύγι εξυπηρετεί τν έλεγχ λόκληρων συστημάτων ή λόκληρων τμημάτων εγκαταστάσεων, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της μάζας και της ενέργειας. Μπρεί να χρησιμπιηθεί για θεωρητικές αναλύσεις σε σταθερά και 24

δυναμικά συστήματα. Χρησιμπιείται για την επiλυση διεργασιών σε τεχνικά συστήματα ή τμήματα αυτών, στα πία είναι γνωστές ι εισερχόμενες ρές μεγεθών ή μερικά σταθερά μεγέθη τυ συστήματς. Τα λκληρωμένα ενεργειακά ισζύγια μπρύν να χωριστύν σε δύ κατηγρίες (Αντωνιάδης, 2013): στα «λκληρωμένα ισζύγια ενέργειας» και στα «λκληρωμένα ισζύγια ρών». Στα «λκληρωμένα ισζύγια ενέργειας» παρατηρεί κανείς πεπερασμένες πσότητες, ι πίες μεταφέρνται, απθηκεύνται ή μετατρέπνται στ σύστημα, ενώ στα «λκληρωμένα ισζύγια ρών» παρατηρεί κανείς μία ή περισσότερες ρές, ι πίες εισρέυν, απθηκεύνται ή μετατρέπνται μέσα στ σύστημα. Τα ενεργειακά ισζύγια των τεχνικών συστημάτων μπρύν να παρασταθύν με διαγράμματα ρής πυ νμάζνται και διαγράμματα Sankey (Εικ.1.2). Τα διαγράμματα αυτά επιτρέπυν την πστική περιγραφή διεργασιών τυ συστήματς για μετατρπή και χρήση ενέργειας και δίνυν μια καλή σύνψη της τελικής επιθυμητής ενέργειας, με τη γραφική παρυσίαση των εμφανιζόμενων ρών ενέργειας καθώς και των ρών απώλειας ενέργειας πυ παρατηρύνται στ σύστημα. Επμένως, είναι κατάλληλα για σύγκριση διαφρετικών ενεργειακών συστημάτων πυ εξασφαλίζυν την ίδια τελική επιθυμητή ενέργεια αλλά την απκτύν με διαφρετικύς τρόπυς. Εικόνα 1.2 Διάγραμμα Sankey (!!!ly!'l: www.texnikanea.gr ) 25

Για να γίνει εύκλα μια σύγκριση διαφρετικών συστημάτων, τα αριθμητικά δεδμένα ανάγνται όλα σε διάθεση 100 μνάδων εmθυμητής ή τελικής ενέργειας. Μπρεί εύκλα να αναγνωρισθεί σε πια υπσυστήματα εμφανίζνται ρές απωλειών και πόσ υψηλές είναι, η αρχική χρησιμπιύμενη ενέργεια και η τελική ενέργεια πυ καταναλώνεται, όταν πρέπει να διατεθύν 100 μνάδες χρήσιμης ενέργειας, για παράδειγμα η θερμότητα για τη θέρμανση ενός κτιρίυ (Πιν. 1.2). Για παράδειγμα, στ παρακάτω πίνακα, τ σύστημα της ηλεκτρικής θέρμανσης, εμφανίζνται μηδεvικές απώλειες στ σύστημα πρετιμασίας ή παραγωγής χρήσιμης ενέργειας για τ χρήστη, αντίθετα όμως παρατηρύνται υψηλές απώλειες στ σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και στ σύστημα μεταφράς. Έτσι, απαιτύνται 294 μνάδες αρχικής ενέργειας για να παραχθύν 100 μνάδες χρήσιμης ενέργειας στην τελική της μρφή. Αντίθετα, στη χρήση μιας ηλεκτρκίνητης αvτλiας θερμότητας, απαιτύνται μόν 101 μνάδες αρχικής ενέργειας, ενώ σε μια αvτλiα θερμότητας, πυ λειτυργεί με φυσzκό αέρι μόν 71 μνάδες. Η καλή απόδση αυτών των συστημάτων φείλεται στ ότι και στα δύ συστήματα η θερμότητα τυ περιβάλλντς, η πία δεν απτελεί έξδ, μπρεί εν μέρει να αξιπιηθεί για την κάλυψη των αναγκών θερμότητας. Πίνακας 1.2 Κατανάλωση κατανμής ενέργειας ΕΕ (!!!!Y!t Παπαδόπυλς, 2002) 6 Σύστημα Πρωτγενής κα- Ενεργειακός τανάλωση ενέρ- Πόρς νnαc Ηλεκτρική 294 Λιγνίτης Θέuανσn Θέρμανση 125 Πετρέλαι Πετρελαίυ θέρμανση 119 Φυσικό αέρι Φυσικύ Αερίυ θέρμανση με 101 Λιγνίτης Αντλία Θεuότnταc θέρμανση 71 Φυσικό αέρι Συνδυασμένυ Κύκλυ Για να μπρεί να είναι εφικτή η σύγκριση μεταξύ ενεργειακών συστημάτων, εισάγνται κάπια βασικά μεγέθη τα πία ανάγυν τ άθρισμα των τελικών μρφών ενέργειας (επιθυμητό απτέλεσμα) στ άθρισμα των εισαγόμενων αρχικών μρφών ενέργειας (κόστς). Οι κυριότερες κατηγρίες μεγεθών, είναι ι εξής (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002): βαθμί απόδσης τυ ισζυγίυ: Βαθμός Απόδσης= Σ τελικές μρφές ενέργειας /Σ πρσδιδόμενες μρφές ενέργειας (1.2) αριθμί απόδσης ή συντελεστές απόδσης: Αριθμός Απόδσης= Σ τελικές μρφές ενέργειας /Σ μρφές ενέργειας με φρέα (1.3) 6 Παπαδόπυλς, Α. Μ. (2002). Οικνμική Ανάλυση Ενεργειακών Συστημά των. ΑΠΘ - Πλυτεχνική Σχλή, Σχλή Μηχανλόγων Μηχανικών. 26

Στυς βαθμύς απόδσης μπρεί να γίνει διαχωρισμός μεταξύ τυ βαθμύ απόδσης πυ συμβλίζεται με τ γράμμα η, και τυ βαθμύ ωφέλειας πυ συμβλίζεται με τ γράμμα ζ. Οι βαθμi απόδσης (η), αναφέ ρνται σε συγκεκριμένα τμήματα τυ συστήματς. Θέτυν σε σχέση την πρσδιδόμενη στ σημεί αυτό ρή ενέργειας Ε πρ, ι με την εμφανιζόμενη χρήσιμη ρή ενέργειας Εχρ, ι : η = ΣΕπρ, i / ΣΕχρ,i (1.4) Οι βαθμί ωφέλειας (ζ), αντίθετα, αναφέρνται σε συγκεκριμένυς χρόνυς, συσχετίζντας nς πσότητες ενέργειας πυ πρσφέρνται ή απάγνται από τ σύστημα μέσα σε καθρισμέν χρνικό διάστημα Δ 112 = t2-t1. Με τν τρόπ αυτό, περιγράφετε λκληρωμένς κύκλς διεργασιών (σταθερών και μεταβαnκών καταστάσεων) για τ διάστημα Δ 112. Με τ βαθμό ωφελείας πρέπει πάντα να δίνεται και αντίστιχς χρόνς αναφράς: Ανάλγα με τυς βαθμύς απόδσης και ωφέλειας διαφρπιύνται ι αριθμί σε αριθμύς απόδσης και αριθμύς εργασίας (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002). Οι αριθμi απόδσης συνδέυν nς ρές τελ~κής ενέργειαςε ς;, με nς ρές ενέργειας πυ πρσδίδνται στυς φρεiς ενέργειας Ει, πρ,ι, και συσχετίζυν με αυτόν τν τρόπ καταστάσεις λειτυργίας ή διεργασίας τυ συστήματς ανάλγα με τ βαθμό απόδσης : (1.5) ε = ΣΕς ; / Σ Ε ι,πp, ί (1.6) Οι αριθμi εργασίας συνδέυν nς πσότητες τελικής ενέργειας ΔΕς ι, 1 2 πυ παίρνυμε στ χρόν Δ 112 με nς πρσδιδόμενες πσότητες ΔΕ ι, πρ,ι, 1 2 και συσχετίζυν με τν τρόπ αυτό συγκεκριμένα χρνικά διαστήματα ανάλγα με τ βαθμό ωφέλειας: β= ΣΕςι, 12 / ΣΕι,πp,ί, 1 2 (1.7) Στν επόμεν πίνακα, δίννται συστημάτων (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002): παραδείγματα από βαθμύς και αριθμύς ενεργειακών 27

Πίνακας 1.3 Βαθμί και αριθμί ενεργειακών συστημάτων Χαρακτηρισμός Σύμβλ Σχέση Βαθμός απόδσης μιας η Wσπ f Οπρς μηχανής εσωτερ ι κής καύσης Βαθμός ισχύς μ ι ας αντλi- ε Οaπ / Wπρς ας θερμότητας Βαθμός απόδσης ενός η Οαπ / Η λtβ. π ρς λέβητα Ετήσις βαθμός ωφέλειας ζ ΔW η;... χr><; Ι Η ι.ιβ. πρς, χρ ενός σταθμύ παραγωγής ενέργειας Βαθμός απόδσης συλλέ- η Ηπ / Ε ηλισκή κτη ηλ ιακής ενέργειας Ημερήσις βαθμός ωφέ- ζ Ε aπ. μtρα / Ε πρς, μίρa λειας ενός συσσωρευτή Επίσης, στυς επόμενυς πίνακες, παρατίθενται συνπτικά ι συνηθέστερες χρησιμπιύμενες μνάδες ενέργειας καθώς και η θερμγόνς ισχύς των βασικότερων ενεργειακών πόρων (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002): Πίνακαςl.4 Μνάδες ενέργειας και θερμγόνς ισχύς Μνάδα Σύμβλ Αντιστίχηση Κιλβατώρα kwh 1 kwh = 3.600 kj Θερμίδα cal 1 cal=4.1868 J Τόνς Ισδυνάμυ ΤΙΠ (ΤΟΕ) 1 ΤΙΠ = 41,868 Πετρελαίυ GJ Καννικό κυβικό μέτρ Nm' 1 Nm' = 35.169 Φυσικύ αερ ίυ MJ Βαρέλι πετρελαlυ bbl 1 bbl = 159 1 ~ 117 t 1 bbl "' 5,981 MJ Πίνακας 1.5 θερμγόνς ισχύς βασικότερων ενεργειακών πόρων Ενεργειακός πόρς Κατώτερη θερμγόνς ισχύς hu MJ/kg =υλε ία (ξερή ) 15,3 Λιγνίτης 8 Λιθάνθρακας 30 Πετρέλαι S ( βαρύ ) 40 Πετρέλαι EL ( ελαφρύ ) 42,7 Πετρέλαι κίνησης 42,7 Βενζίνη 43.1 Φυσικό αέρι θέρμανσης 47.6 28

Υπάρχυν διάφρες μέθδι ενεργειακής ανάλυσης κλιμακύμενης πλυπλκότητας. Οι κυριότερι μέθδι είναι ι εξής (Μόσχυ, 2011): μέθδς βαθμημερών (degree-day method): είναι μία απλή πρσεγγιστική μέθδς υπλγισμύ τυ καταναλισκόμενυ θερμικύ φρτίυ και εφαρμόζεται για μόνιμες συνθήκες στ εσωτερικό μικρών κnρίων. Η διαδικασία υπλγισμύ είναι βασισμένη στην παραδχή όn ένα πσό ηλιακής και εσωτερικής ενέργειας ανnσταθμίζει τις απώλειες θέρμανσης όταν η μέση εξωτερική θερμκρασία είναι 18.3 C (65 F). Η κατανάλωση ενέργειας είναι ανάλγη της διαφράς μεταξύ της ημερήσιας μέσης θερμκρασίας και της θερμκρασίας 18.3 C(65 F). Οι βαθμημέρες μπρύν να χρησιμπιηθύν για τ χαρακτηρισμό της δριμύτητας τυ κλίματς και επιπλέν χρησιμεύυν στην εκτίμηση ενεργειακών υπλγισμών για σύγκριση των θερμικών απαιτήσεων κτιρίων σε διαφρετικές τπθεσίες. τρππιημένη μέθδ βαθμημερών: Εξαιτίας της ανακρίβειας της μεθόδυ λόγω της χρήσης των 18.3 C(65 F) ως θερμκρασίας αναφράς, στην τρπιημένη μέθδ χρησιμπιείται ένας διρθωτικός παράγντας Co. Πρόκειται για εμπειρικό διρθωτικό παράγντα πυ αφρά την επίδραση της θέρμανσης στν υπλγισμό των βαθμημερών για τυς 18.3 C(65 F). Χρησιμπιείται κυρίως για την θέρμανση λόγω καλύτερης απτελεσματικότητας. μέθδς μεταβλητής αναφράς βαθμημερών (variable-base degree-day method): είναι μία γενίκευση της ευρύτατης μεθόδυ των βαθμημερών. Συγκεκριμένα, υπλγίζει τις βαθμημέρες σύμφωνα με τ σημεί ισρρπίας της θερμκρασίας για ένα κτίρι, δηλαδή την εξωτερική θερμκρασία για την πία δεν απαιτείται ύτε θέρμανση ύτε ψύξη. Σε αυτή τη θερμκρασία τ πσό εσωτερικής και ηλιακής θέρμανσης ανnσταθμίζει τις απώλειες από την κατασκευή τυ κτιρίυ. μέθδς bin ή συχνότητας θερμκρασίας (bin method): η μέθδς αυτή βασίζεται στην πραγματπίηση στιγμιαίων θερμικών και ψυκτικών ενεργειακών υπλγισμών σε πλλές διαφρετικές εξωτερικές θερμκρασιακές συνθήκες (bin) και στν πλλαπλασιασμό των απτελεσμάτων με τν αριθμό των ωρών διάρκειας της καθεμίας συνθήκης (bin). τρππιημένη μέθδς bίn (modίfied bίn method): διαφέρει από την πρηγύμενη μέθδ καθώς απτελεί μία νέα πρσέγγιση πυ βασίζεται σε φρτία τα ένα πία δεν είναι τα μέγιστα δυνατά και για συνθήκες μη σχεδιαζόμενες. Με τη μέθδ αυτή πρκύπτυν βάσιμες και λγικές μηνιαίες/ ετήσιες εκτιμήσεις ενέργειας κnρίων με έναν απλύστερ τρόπ σε σχέση με τα λεπτμερειακά πργράμματα ωριαίας πρσμίωσης. Η μέθδς είναι κατάλληλη κυρίως για εφαρμγή σε κτίρια έκτασης 500 έως2.500 m 2 Οι υπλγισμί της τρππιημένης μεθόδυ bin μπρύν να γίνυν με τ χέρι, ωστόσ γι αυτό τ σκπό διατίθενται και υπλγιστικά πργράμματα. Λεmμερειώδης ενέργεια κτιρίων και πρσμίωση συστημάτων: Τα μντέλα πρσμίωσης είναι ευέλικτα εργαλεία σχεδιασμύ τα πία μπρύν να χρησιμπιηθύν για την ανάλυση συμπεριφράς συστημάτων. Στην περίπτωση πρσμίωσης σχεδιασμύ κτιρίων, τα μντέλα πρσμίωσης δίνυν πληρφρίες για τη συμπεριφρά ενός κnριακύ συστήματς υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Βασίζνται σε δύ είδη στρατηγικών πρσμίωσης: (α) πρσέγγιση αλληλυχίας (διαδχικά βήματα υπλγισμύ και πρσμιώσεων) 29

και (β) επίλυση ταυτόχρνης πρσέγγισης (επιτρέπει τη διασύνδεση μεταξύ φρτίων, συστήματς και εγκατάστασης) (Σχ. 1.14). Μετεωρλγικά Δ εδμ ένα Ανάλυση συστήματς Χαρακτηριστικά κτιρίυ Χαρακτηριστικά συστήματς Οικνμική ανάλυση Χαρακτηριστικά εξπλισμύ Οικνμικά δεδμένα Σχήμα 1.14 Επίλυση ταυτόχρνης πρσέγγισης(~ : Μόσχυ, 2011) 1.6 Ενεργειακή Απόδση και Κτίρια Τ Μάρτι τυ 2000, η Επιτρπή της ΕΕ παρυσίασε τ σχέδι δράσης για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδσης στην ΕΕ. Σε αυτό τ σχέδι δράσης σημειώνεται πως τ εκτιμώμεν δυναμικό για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδσης στην ΕΕ εξακλυθεί να υφίσταται και είναι σημαντικό, αφύ υπερβαίνει τ 18% της σημερινής ενεργειακής κατανάλωσης. Αυτό φείλεται στα εμπόδια της αγράς πυ απτρέπυν την ικανπιητική διάδση ενεργειακά απδτικών τεχνλγιών και, κατά συνέπεια, την πι ρθλγική χρήση της ενέργειας. Τ δυναμικό αυτό είναι ισδύναμ με παραπάνω από 160 Mtoe ή 1990 TWh (1 Mtoe=12.44 ΊWh) και ισδυναμεί με τη συνλική ζήτηση στην Αυστρία, τ Βέλγι, την Φιλανδία, την Ελλάδα και την Ολλανδία. Τ σχέδι δράσης περιλαμβάνει πλιτικές και μέτρα για την άρση αυτών των εμπδίων και τη συνειδητπίηση αυτύ τυ δυναμικύ, εστιαζόμεν στυς τρεις βασικύς τμείς της ικνμίας: τη βιμηχανία, τις μεταφρές και τα κτiρzα (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002). Η κατανάλωση ενέργειας στν κτιριακό τμέα ανήλθε τ 1998 σε 384 Mtoe (4776.96 ΚWh) πυ αντιστιχεί στ 40% περίπυ της συνλικής ετήσιας τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ (Σχ.1.15). Ως τ έτς 2020 πρβλέπεται να αυξηθεί στα 457Mtoe (5685.08 TWh). Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας ανέρχεται σε 10.5% και 27.5% αντίστιχα. Τ υπόλιπ 2.5% αναφέρεται στις ΑΠΕ, πυ κυρίως χρησιμπιύνται στις κατικίες και είναι ένα πσστό πυ μπρεί να αυξηθεί σημαντικά μέσω κατάλληλων κινήτρων. Η ικιακή χρήση απτελεί τ 70% της συνλικής ενεργειακής κατανάλωσης τυ κτιριακύ τμέα στην Ελλάδα. Στα νικκυριά η κατανάλωση ανέρχεται σε 252 Mtoe (3134,88 ΊWh) και στα εμπρικά και δημόσια κτίρια σε 108 Mtoe (1343,52 TWh), ενώ λόγς ηλεκτρισμύ πρς θερμότητα είναι 0.25 και 0.68 αντίστιχα. Η μέση κατανάλωση ανά τετραγωνικό μέτρ αυξάνεται κατά 1.3% ετησίως στν τμέα των υπηρεσιών (Αντωνιάδης, 2013; Παπαδόπυλς, 2002). 30