Ετήσια απόδοση συστημάτων θέρμανσης με Λέβητες και Αντλίες Θερμότητας Ημερίδα ΠΣΔΜ-Η, 2 Δεκεμβρίου 2013 Σωτήρης Κατσιμίχας, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Γενικός Γραμματεύς Ένωσης Ελληνικών Επιχειρήσεων Θέρμανσης και Ενέργειας
ΦΙΛΟΚΑΛΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΕΥΤΕΛΕΙΑΣ ΦΙΛΟΣΟΦΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΜΑΛΑΚΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΠΡΟΝΟΙΑΣ
Μελέτη θερμικών απωλειών 1 kw 3 kw 3 kw θερμαντικά σώματα 20 C κυκλοφορητής 3 kw 0 C λέβης Q = A U (Tεσ Τεξ) 1 kw
Θερμικές απώλειες κτηρίου Με συνθήκες σχεδιασμού Τεξ = 0 C και Τεσ = 20 C 10 kw Απαιτ. θερμική ισχύς 5 kw 0 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Κατανομή θερμοκρασιών χειμώνα κλιματικής ζώνης Β 450 400 350 300 250 Ώρες 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Εξωτερική θερμοκρασία Τεξ ( C) Πηγή: ΤΟΤΕΕ 20701-3
12 Απαιτ. θερμική ισχύς (kw) 10 8 6 4 2 0 X = Ισχύς x ώρες = ενέργεια 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ώρες 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Εξωτερική θερμοκρασία Τεξ ( C)
Κατανομή ενεργειακών αναγκών θέρμανσης 1800 1600 1400 Ενέργεια kwh ανά βαθμό K 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Εξωτερική θερμοκρασία Τεξ ( C)
Θερμική ισχύς και υπερδιαστασιολόγηση 20 kw Ισχύς υπερδιαστασιολογημένου μονοβάθμιου λέβητα Απαιτ. θερμική ισχύς 10 kw 0 50% της ενέργειας 0 5 10 15 20 Ενέργεια kwh ανά βαθμό K Εξωτερική θερμοκρασία
Θερμική ισχύς και υπερδιαστασιολόγηση 20 kw Ισχύς υπερδιαστασιολογημένου μονοβάθμιου λέβητα Απαιτ. θερμική ισχύς 10 kw 0 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Θερμική ισχύς και υπερδιαστασιολόγηση 20 kw Ισχύς υπερδιαστασιολογημένου μονοβάθμιου λέβητα Απαιτ. θερμική ισχύς 10 kw Απαιτούμενη θερμική ισχύς μετά την μόνωση 0 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Θερμική ισχύς και υπερδιαστασιολόγηση 200 kw Ισχύς υπερδιαστασιολογημένου μονοβάθμιου λέβητα Απαιτ. θερμική ισχύς 100 kw 0 Απαιτούμενη θερμική ισχύς διαμερίσματος 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Βαθμός απόδοσης λεβήτων στο μερικό φορτίο Λέβητας συμπύκνωσης αερίου Λέβητας συμπύκνωσης πετρελαίου Λέβητας χαμηλών θερμοκρασιών Βαθμός απόδοσης (%) Παλαιός συμβατικός λέβητας, κατασκευής 1975 Πηγή: VdZ Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft Χρήση του λέβητα (%)
ΦΙΛΟΚΑΛΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΕΥΤΕΛΕΙΑΣ ΦΙΛΟΣΟΦΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΜΑΛΑΚΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΠΡΟΝΟΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΑΣΩΤΙΑΣ
Αντιστάθμιση καιρικών συνθηκών
Χρήση αντιστάθμισης 3 kw 70 C 3 kw 20 C 3 kw 0 C Q = A U (Tεσ Τεξ) = 10 kw 1 kw
Χρήση αντιστάθμισης 1,5 kw 50 C 1,5 kw 20 C 1,5 kw 10 C Q = A U (Tεσ Τεξ) = 5 kw 0,5 kw
Χρήση αντιστάθμισης Χωρίς αντιστάθμιση 70 C ΔΤ = 60 Κ Τεξ = 10 C Με αντιστάθμιση 50 C ΔΤ = 40 Κ
Αντιστάθμιση καιρικών συνθηκών 70 C Θερμοκρασία προσαγωγής σε C 0 C Εξωτερική θερμοκρασία σε C back
Λέβητες Εκμετάλλευση ενέργειας καύσεως Συμβατικός λέβητας: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O + H U ατμός 10,0 kwh/m 3 Λέβητας συμπυκνώσεως: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O + H O υγρό 11,6 kwh/m 3
Πως βγαίνει το πάνω από 100% στους λέβητες συμπύκνωσης Συμβατικός λέβητας Λέβητας συμπυκνώσεως Ηo Ηu Ηc η = 9,2 kwh / 10,0 kwh = 92% η = 10,7 kwh / 10,0 kwh = 107%
Λειτουργία λέβητα Συμπύκνωσης Συμβατικός Νερό Καυσαέριο Καυσαέριο Νερό 150 100 50 Θερμοκρασίες σε C
Βαθμός απόδοσης καύσης λέβητα συμπυκνώσεως προσαγωγή 45 C 110% Απαιτ. θερμική ενέργεια (kwh / K) προσαγωγή 80 C Μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης 105% 100% 95% Βαθμός απόδοσης 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
ΦΙΛΟΚΑΛΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΕΥΤΕΛΕΙΑΣ ΦΙΛΟΣΟΦΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΜΑΛΑΚΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΠΡΟΝΟΙΑΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΑΣΩΤΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΖΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΜΑΝΙΑΣ
Βαθμός απόδοσης καύσης λέβητα συμπυκνώσεως Απαιτ. θερμική ενέργεια (kwh / K) 110% προσαγωγή 45 C Μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης 105% προσαγωγή 65 C 100% 95% Βαθμός απόδοσης 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Βαθμός απόδοσης καύσης συμβατικού λέβητα προσαγωγή 45 C προσαγωγή 80 C Μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης 95% 94% 93% 92% 91% 90% 89% Βαθμός απόδοσης 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία
Βαθμός απόδοσης λεβήτων στο μερικό φορτίο Λέβητας συμπύκνωσης αερίου Λέβητας συμπύκνωσης πετρελαίου Λέβητας χαμηλών θερμοκρασιών Βαθμός απόδοσης (%) Παλαιός συμβατικός λέβητας, κατασκευής 1975 Πηγή: VdZ Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft Χρήση του λέβητα (%)
Ετήσιος βαθμός απόδοσης και υπερδιαστασιολόγηση Απαιτ. θερμική ισχύς Ισχύς υπερδιαστασιολογημένου λέβητα 200 kw Συμπύκνωσης -αναλογικός 100 kw Συμβατικός - μονοβάθμιος Απαιτούμενη θερμική ισχύς διαμερίσματος 0 0 5 10 15 20 Εξωτερική θερμοκρασία 110% 100% 90% 80% 70% 60%
Παράδειγμα επιλογής επέμβασης Απαιτούμενη Ισχύς Ετήσιος βαθμός Κόστος θερμική ισχύς λέβητα απόδοσης λέβητα Ενέργειας Εξοικονόμηση χρήσης Χρόνος απόσβεσης επένδυσης Υφιστάμενη εγκατάσταση Βελτίωση Θερμομόνωσης Νέος λέβητας συμπύκνωσης Βελτίωση Θερμομόνωσης και νέος λέβητας συμπύκνωσης 12kW 104% Εξοικονόμηση Κατανάλωση Εξοικονόμηση Κατανάλωση Εξοικονόμηση Κατανάλωση 27% 35% 56% 20 έτη 5 έτη 15 έτη Πηγή: VdZ Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft
Κόστος θέρμανσης 100 80 2 60 40 20 0 Παλαιός λέβητας Παλαιός λέβητας Σωστή Σωστή διαστασιολόγηση Πολυβάθμιος καυστήρας Λέβητας χαμηλών θερμοκρασιών Λέβητας χαμηλών θερμοκρασιών Λέβητας συμπυκνώσεως Λέβητας συμπυκνώσεως αερίου
Αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας Α/Ν A/B. Θερμότητα από τον εξωτερικό αέρα αντλείται από τον εξατμιστή με την βοήθεια του ανεμιστήρα. Το ψυκτικό εκεί είναι ψυχρότερο από τον αέρα και η θερμότητα ρέει από τον αέρα προς το ψυκτικό. Αυτό απορροφά την θερμότητα και εξατμίζεται E/G. Θερμοί ατμοί εισέρχονται στον συμπυκνωτή και δίνουν την θερμότητά τους στο κύκλωμα θέρμανσης. Κύκλωμα θέρμανσης Ψυκτικό Εξωτερικός αέρας F. Το ψυκτικό μέσο, ως υγρό, περνάει από την εκτονωτική βαλβίδα. Η πίεσή του και η θερμοκρασία του πέφτει. Μετά εισέρχεται στον εξατμιστή. -5 0 D. Οι ατμοί του ψυκτικού εισέρχονται στον συμπιεστή και η πίεσή τους, καθώς και η θερμοκρασία τους ανεβαίνει
Αντλίες Θερμότητας - Κατηγορίες. kw Αντλίες θερμότητας on/off 100% 50% ON ON ON ON ON ON 25% 0 kw Αντλίες θερμότητας on/off με δοχείο αδρανείας t 100% 50% 25% 0 rpm / kw ON Αντλίες θερμότητας με τεχνολογία inverter ON t 100% 50% ON ON ON ON ON ON ON 25% 0 t t
Ενεργειακή ανάλυση του ψυκτικού κύκλου Απόδοση θέρμανσης Q c log p (πίεση) [MPa] p H Τ H 3 2 p L T L 4 1 2 Άντληση θερμότητας Q 0 h (Ενθελπία) [kj/kg] Κατανάλωση ενέργειας P Λειτουργία θέρμανσης: COP = Coefficient of Performance = Q c / P Λειτουργία ψύξης: EER = Energy Efficiency Ratio = Q 0 / P
Ενεργειακή ανάλυση του ψυκτικού κύκλου Απόδοση θέρμανσης Q c log p (πίεση) [MPa] p H p L Τ H 3 2 T L 4 1 2 Άντληση θερμότητας Q 0 Κατανάλωση ενέργειας P h (Ενθελπία) [kj/kg] Λειτουργία θέρμανσης: COP = Coefficient of Performance = Q c / P Λειτουργία ψύξης: EER = Energy Efficiency Ratio = Q 0 / P
Ενεργειακή ανάλυση του ψυκτικού κύκλου Απόδοση θέρμανσης Q c log p (πίεση) [MPa] p H Τ H 3 2 p L T L 4 1 2 Άντληση θερμότητας Q 0 h (Ενθελπία) [kj/kg] Κατανάλωση ενέργειας P Λειτουργία θέρμανσης: COP = Coefficient of Performance = Q c / P Λειτουργία ψύξης: EER = Energy Efficiency Ratio = Q 0 / P
Ενεργειακή ανάλυση του ψυκτικού κύκλου Απόδοση θέρμανσης Q c log p (πίεση) [MPa] p H Τ H 3 2 p L T L 4 1 2 Άντληση θερμότητας Q 0 h (Ενθελπία) [kj/kg] Κατανάλωση ενέργειας P Λειτουργία θέρμανσης: COP = Coefficient of Performance = Q c / P Λειτουργία ψύξης: EER = Energy Efficiency Ratio = Q 0 / P
COP Αντλίας θερμότητας Α/Ν 6,0 5,0 4,0 COP 3,0 2,0 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία
COP Αντλίας θερμότητας Α/Ν 6,0 5,0 4,0 COP 3,0 2,0 1,0 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία 0,0
Διαστασιολόγηση Α/Θ Απαιτ. θερμική ισχύς 20 kw 10 kw 0 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία Ανάγκες κτηρίου Κάλυψη από Α/Θ
Διαστασιολόγηση Α/Θ Απαιτ. θερμική ενέργεια (kwh / K) Ανάγκες κτηρίου Κάλυψη από Α/Θ 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία
Συνδυασμός αντλίας θερμότητας monoblock με λέβητα
COP Α/Θ υπό διάφορες συνθήκες Απαιτ. θερμική ισχύς 20 kw 10 kw 7 6 5 4 3 2 1 Ανάγκες κτηρίου Κάλυψη από Α/Θ 0 0 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία
Θερμ. ενέργεια / COP = ηλεκτρική. ενέργεια Θερμική Ενέργεια (kwh) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 / = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 7 6 5 4 3 COP 2 1 0 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία
1200 Ηλεκτρική Ενέργεια (kwh) 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C Εξωτερική θερμοκρασία SCOP = Ετήσια Θερμική Ενέργεια / Ετήσια Ηλεκτρική Ενέργεια
Παραδείγματα Συγκρίσεις συστημάτων θέρμανσης με αντλίες θερμότητας
Η επιρροή της εξωτερικής θερμοκρασίας 5 Μέσος ετήσιος συντελεστής απόδοσης SCOP 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0-20 C -15 C -10 C -5 C 0 C 5 C Θερμοκρασία σχεδιασμού
Η επιρροή της θερμοκρασίας A/Θ μεγ. θερμ. προσαγωγής 65 C 5 4.5 Μέσος ετήσιος συντελεστής απόδοσης SCOP 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 80 C 70 C 60 C 50 C Μέγιστη θερμοκρασία προσαγωγής σωμάτων (στο σημείο σχεδιασμού)
ΦΙΛΟΚΑΛΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΕΥΤΕΛΕΙΑΣ ΦΙΛΟΣΟΦΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΜΑΛΑΚΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΠΡΟΝΟΙΑΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΑΣΩΤΙΑΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΖΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΜΑΝΙΑΣ ΚΑΙ ΕΛΑΤΤΩΝΟΥΜΕΝ ΤΑΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ
Σύγκριση α/θ με και χωρίς αντιστάθμιση 5 Μέσος ετήσιος συντελεστής απόδοσης SCOP 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 65 C 55 C 45 C Σειρά1 Με αντιστάθμιση Σειρά3 Χωρίς αντιστάθμιση Μέγιστη θερμοκρασία προσαγωγής σωμάτων (στο σημείο σχεδιασμού)
Σύγκριση α/θ με και χωρίς αντιστάθμιση 0.07 Μέσο κόστος θερμικής kwh ( ) 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Σειρά1 Με αντιστάθμιση Σειρά3 Χωρίς αντιστάθμιση 65 C 55 C 45 C Μέγιστη θερμοκρασία προσαγωγής σωμάτων (στο σημείο σχεδιασμού)
Κατάταξη συστημάτων θέρμανσης και ζνχ κατά ΚΕΝΑΚ Υπάρχον κτήριο με το κέλυφος του κτηρίου αναφοράς 0 2 Ηλιοθερμικό σύστημα Α/Θ Γεωθερμική Α/Θ αέρα/νερού Λέβητας συμπύκνωσης Συμβατικός λέβητας Α+ Α Β+ Β+ Β Γ Παλαιός λέβητας Ηλεκτρική θέρμανσης Δ Ε Ζ Η Πρωτογενής ενεργειακή κατανάλωση / R R
Θέρμανση και κλιματική αλλαγή Εκπομπές CO 2 (kg/kwh) 0.9 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Το κόστος της θέρμανσης σήμερα 0.3 0.25 0.2 Κόστος θερμικής ενέργειας ( /kwh) Μέσες τιμές 0.15 0.1 0.05 0 Ηλεκτρική θέρμανση Λέβητας πετρελαίου Λέβητας υγραερίου Λέβητας φυσικού αερίου Αντλία Θερμότητας Α/Ν Γεωθερμική Α/Θ Ηλιοθερμικό σύστημα (50%) και Α/Θ
ΦΙΛΟΚΑΛΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΕΥΤΕΛΕΙΑΣ ΦΙΛΟΣΟΦΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΜΑΛΑΚΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΠΡΟΝΟΙΑΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΟΥΜΕΝ ΑΝΕΥ ΑΣΩΤΙΑΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΖΟΥΜΕΝ ΜΕΤΑ ΜΑΝΙΑΣ ΕΛΑΤΤΩΝΟΥΜΕΝ ΤΑΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΟΥΜΕΝ ΜΕΤ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ
ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕΝ ΑΠΟ ΚΑΡΔΙΑΣ Σωτήρης Κατσιμίχας, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Γενικός Γραμματεύς Ένωσης Ελληνικών Επιχειρήσεων Θέρμανσης και Ενέργειας