Εξοικονόµηση ενέργειας Από τον Νικόλαο Γ. Τσίτσο. Ναυπηγό Μηχανολόγο Ε.Μ.Π. Καθηγητ στην Ακαδηµία Εµπορικού Ναυτικού Ασπροπύργου Αντλίες θερµότητας αέρος-νερού υψηλών θερµοκρασιών δυο κυκλωµάτων συµπίεσης (σύστηµα cascade). εν ανακαλύψαµε τη φωτιά!!! Στις µέρες µας προέκυψε η ανάγκη αντικατάστασης των λεβητοστασίων καύσης πετρελαίου µε αντλίες θερµότητας οι οποίες θα εργαστούν σε δίκτυα κεντρικς θέρµανσης στα οποία θα παραµείνουν τα θερµαντικά σώµατα. Επειδ για να αποδώσουν τα στατικά θερµαντικά σώµατα σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις απαιτούνται θερµοκρασίες ζεστού νερού της τάξεως των 80 0 C, προσπαθούν οι παραγωγοί αντλιών θερµότητας αέρος νερού να δηµιουργσουν τις ανάλογες συσκευές. Έτσι επανλθαν πάλι διατάξεις συνδέσεως κλιµακωτού καταρράκτη (cascade) οι οποίες παλαιοτέρα εφαρµόζοντο για τον υποβιβασµό των θερµοκρασιών ψύξης και τις οποίες θα αναλύσουµε παρακάτω. Σηµειώνουµε ότι :. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιµοποιούνται για κάθε κύκλωµα διαφορετικά ψυκτικά ρευστά.. Η θερµότητα συµπύκνωσης κάθε βαθµίδας απορροφάται από τον εξατµιστ της επόµενης.. Πρόκειται για περισσότερα του ενός ψυκτικά κυκλώµατα και όχι για διβάθµια συµπίεση. Συµβολισµοί: 7 8 8 7 4 4 Q H Εσωτερικ µονάδα Q C Q Q 4 C H Εξωτερικ µονάδα 6 σχµα () 5 6 5 C C Q H : Το θερµικό φορτίο συµπύκνωσης του ου κυκλώµατος συµπίεσης (αυτό αποδίδεται στον χώρο). Q : Το θερµικό φορτίο συµπύκνωσης του ου H κυκλώµατος συµπίεσης. Q : Το απορροφόµενο ψυκτικό φορτίο. C C : Η ισχύς του συµπιεστ του πρώτου κυκλώµατος. C : Η ισχύς του συµπιεστ του δεύτερου κυκλώµατος. COP θ : Ο συντελεστς λειτουργίας του ου κυκλώµατος στην θέρµανση. COP θ : Ο συντελεστς λειτουργίας του ου κυκλώµατος στην θέρµανση. COP Ψολ : Ο συνολικός συντελεστς λειτουργίας στην ψύξη. COP Ψ : Ο συντελεστς λειτουργία στην ψύξη του πρώτου ψυκτικού κυκλώµατος. COP Ψ : O συντελεστς λειτουργίας στην ψύξη του δευτέρου ψυκτικού κυκλώµατος COP θολ : Ο συνολικός συντελεστς λειτουργίας (απόδοσης) του συστµατος στη θέρµανση. Στο σχµα () φαίνεται η διάταξη των µηχανηµάτων µιας ψυκτικς εγκατάστασης δύο ψυκτικών κυκλωµάτων.
Από τον ενεργειακό ισολογισµό του σχµατος () ισχύουν : () C+ C+ QC= QH.. C αν = α.. c () C.O. P θολ QHZ QHZ C+ C+ QC = = = = C+ C C (α+ ) C (α+ ) α.. + α + α + α + α Ψ = + + = + Ψ....() QC QC QC. Ψ Ψολ = = = = α C+ C C+ α C C (+ α) +.... (4) Το απορροφούµενο Q C παραµένει σταθερό και ανεξάρτητο από το αν έχουµε ένα κύκλωµα (συµβατικ αντλία θερµότητας ) δυο κυκλώµατα συµπίεσης, σύστηµα cascade (αντλία θερµότητας υψηλών θερµοκρασιών) Στην περίπτωση συστµατος µιας βαθµίδας (σχµα ) ισχύει:
Q H H C 4 4 Q C σχµα () C+ QC= QH..... (5) Q H Θ= (6) C QC Ψ=..... (7) C Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (),(6) προκύπτει ότι : QC QC Ψ, Ψ,..... (8) C C+ ολ C δηλαδ µια κατά πολύ µεγαλύτερη απόδοση της αντλίας θερµότητας ενός απλού κυκλώµατος, όταν αυτ δουλεύει στην ψύξη. Αν ισχύει C = C τότε από τις (7) και () προκύπτει :. = QΨ QΨ ψολ = C + C C = Ψ (9) ηλαδ το αναµενόµενο στην λειτουργία ψύξης ψυκτικς εγκατάστασης συνδέσεως cascade είναι το µισυ του c.o.p στην ψύξη µιας µονοβάθµιας ψυκτικς εγκατάστασης. Από την () βλέπουµε ότι στην διβάθµια εγκατάσταση το Q H είναι µεγαλύτερο του Q H κατά το C, το οποίο πληρώνεται στην ΕΗ µε συντελεστ απόδοσης ένα προς ένα (/). Ο συµπιεστς C δεν αντλεί κανένα ποσό θερµότητας από το περιβάλλον και συνεπώς δεν
αυξάνεται ο βαθµός απόδοσης της εγκατάστασης. Έργο του ου συµπιεστ είναι η ανύψωση της θερµοκρασίας. Η αποµυθοποίηση: Για την απόδοση στην θέρµανση έχουµε : QH Θ=...(0) QH QH QH QH Θ,ολ = = = = C+ C C +α C c ( +) c (+ ) α α α α = α + + α α α [ ] = [ ] Θ,ολ θ θ....()....() Θολ = Q Q + = = Q + Q + = + + + + H H C H C H C C C C C C α C C ( α).. () θολ QH C C [ θ] = + = + ( α) ( α) C (+ α) C (+ α) + + C... (4) α Θολ= [. Θ] + (+α) (+α)...(5) Θ+α Θ,ολ =.....(6) +α Στην παρούσα ανάλυση,. εν υπάρχουν ανεµιστρες αντλίες νερού και συνεπώς κατανάλωση ενέργειας στους συµπυκνωτές και στους εξατµιστές. Συµπεράσµατα 4
Οι αντλίες θερµότητας υψηλών θερµοκρασιών σχεδιάζεται να αντικαταστσουν λεβητοστάσια πετρελαίου κυρίως σε µονοκατοικίες, ώροφα, ώροφα κτρια όπου αλλού δεν δηµιουργούν νοµικά προβλµατα. Από την προηγούµενη ανάλυση προκύπτουν τα παρακάτω:. Ο βαθµός απόδοσης του ψυκτικού κύκλου συνδέσεως cascade υψηλών θερµοκρασιών εξαρτάται από τον λόγο α των ισχύων των δυο συµπιεστών π.χ για α= το αναµενόµενο θολ είναι.5 και για αντίστοιχο θ =. κλασσικού ψυκτικού κύκλου ενός ψυκτικού κυκλώµατος.. Για α=,5 ισχύει αντίστοιχα θολ =.9.. εν ασχοληθκαµε µε τη µεταβολ του σε σχέση µε τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Η µείωση του καθιστά τις αντλίες θερµότητας του συγκεκριµένου τύπου περισσότερο ασύµφορες πχ. στους 0 ο C η απόδοση είναι µειωµένη περίπου κατά % της απόδοσης στους 7 ο C. 4. Είναι αδύνατον µε τα σηµερινά δεδοµένα να ευρεθεί αντλία θερµότητας υψηλών θερµοκρασιών cascade η οποία να ανκει στην ενεργειακ κατηγορία Α, δες σχέση (5). 5. Η αύξηση της πολυπλοκότητας του συστµατος θα δηµιουργσει προβλµατα στην τεχνικ υποστριξη. 6. Η ύπαρξη εσωτερικών και εξωτερικών µονάδων οι οποίες συνδέονται µε σωλνες στις οποίες κυκλοφορεί ψυκτικό ρευστό(και όχι νερό) ενδεχοµένως να απαιτσει ικανοποίηση συγκεκριµένων συνθηκών όσον αφορά τα µκη σωληνώσεων και τις θέσεις τοποθέτησης. 7. Απαιτείται συµπλρωση µε ψυκτικό ρευστό στα µεγάλα µκη σωληνώσεων. 8. Οι µονάδες δυο κυκλωµάτων δεν παρέχουν ψύξη. 9. Πρέπει να εξεταστούν τεχνοοικονοµικά οι λύσεις: α. αντλία θερµότητας συµβατικ και αντικατάσταση σωµάτων µε fan coils στο ίδιο δίκτυο σωληνώσεων, µε προοπτικ Ψύξης. β. αντλία θερµότητας υψηλών θερµοκρασιών στα ίδια σώµατα και δίκτυο χωρίς προοπτικ ψύξης. Σε σχέση µε το αυξηµένο της λύσης α και το µειωµένο της λύσης αντλία β. θερµότητας συµβατικ. γ. παραµένουν τα θερµαντικά σώµατα και οι σωληνώσεις. κάλυψη µέχρι µια συγκεκριµένη θερµοκρασία περιβάλλοντος. ενίσχυση µε η πηγ για χαµηλές θερµοκρασίες πχ. < 8 ο C. 0. Αν ο λόγος α των ισχύων των συµπιεστών των δύο κυκλωµάτων είναι µικρότερος του ο θ µειώνεται σηµαντικά.. Λόγω του τρόπου λειτουργίας της, η αντλία θερµότητας δύο ψυκτικών κύκλων δεν µπορεί να εργασθεί σε ψύξη. Αυτό είναι ένα σηµαντικό µειονέκτηµα σε σχέση µε τις κλασσικές αντλίες θερµότητας ενός ψυκτικού κυκλώµατος. 5
ΤΑ ΚΕΡ Η ΜΑΣ ΜΕ ΕΝΑ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ Έστω ότι το ζητούµενο θερµικό φορτίο ενός χώρου είναι Q Η = 6 K. στην θέρµανση µε συµβατικ αντλία θερµότητας ενός κυκλώµατος (Α) Ισχύς συµπιεστ απορροφόµενη από ΕΗ, συµβατικς αντλίας θερµότητας K (Β) Συµπίεση δύο κυκλωµάτων Συντελεστς α (Γ) Ισχύς ου συµπιεστ K ( ) θολ = α+ c. o. p. + α (Ε) Θ, 4,85,75,5 Αποδιδόµενη θερµότητα στο χώρο και από τα δύο κυκλώµατα (K) (Ζ) Ισχύς συµπιεστ απορροφόµενη από το δίκτυο της ΕΗ για δύο ψυκτικά κυκλώµατα (K) (Η) (cascade) Κόστος λειτουργίας ανά Kh µε την τιµ ηλεκτρικς ενέργειας 0,5 /kwh Περίπτωση Α ( /h) (Θ) Κόστος λειτουργίας Περίπτωση Η ( /h) (cascade) (Ι) ιαφορά Ι-Θ ( /h) λειτουργίας (K) 6,5 7,5,5,875 0,665 Ήτοι αυξηµένο κόστος λειτουργίας 0,665 /h