ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ, ΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΔΡΑΣΕΩΝ ΣΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑΣ (ΕΥΣΕΔ-ΕΤΑΚ) ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ «ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ & ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ» ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2009» ΠΡΑΞΗ Ι:«Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας» Τίτλος Έργου: Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας Τεχνολογικής Αιχμής και Υψηλής Απόδοσης Ακρωνύμιο: «ΓΕΩΑΙΧΜΗ» Κωδικός Έργου : 09ΣΥΝ-32-648 Παραδοτέο 5.1 (Π5.1): Μελέτη σχεδιασμού και παρεμβάσεις των τελικών μορφών των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας Υπεύθυνος Φορέας Παραδοτέου: ΙΝΤΕΡΚΛΙΜΑ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στα πλαίσια του έργου ΓΕΩΑΙΧΜΗ αναπτύχθηκε σειρά Γεωθερμικών αντλιών θερμότητας Νερού-Nερού κατάλληλη για Γεωθερμικές εφαρμογές GEO-15-80. Η σειρά αποτελείται από 6 μεγέθη που καλύπτουν ψυκτικές αποδόσεις από 15,2 έως 78,2 KW και θερμαντικές αποδόσεις από 16,9 έως 84,8 KW. Στο παρόν παραδοτέο γίνεται αναφορά στις παρεμβάσεις που έγιναν κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των τελικών πρωτοτύπων στα εργαστήρια της ΙΝΤΕΡΚΛΙΜΑ με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης τους. 2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...2 1. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΝΤΛΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ...4 1.1 Γενικά...4 1.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά...4 1.2.1 Περίβλημα...4 1.2.2 Συμπιεστής...5 1.2.3 Πλακοειδείς Εναλλάκτες Θερμότητας Εξατμιστής Συμπυκνωτής...6 1.2.4 Σύστημα ελέγχου με μικροεπεξεργαστή...7 1.2.5 Ψυκτικό κύκλωμα...8 1.2.6 Προαιρετικά εξαρτήματα λειτουργίες - Προαιρετικές παραλλαγές στο σύστημα ελέγχου...8 2. ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ...9 2.1 Υπολογισμός απόδοσης...9 2.2 Ψυκτικό Μέσο...10 2.3 Εκτονωτική Βαλβίδα...10 2.4 Εναλλάκτης Θερμότητας...10 2.5 Αλλαγή Ψυκτικού κύκλου...10 2.6 Συμπιεστές σε παράλληλη σύνδεση...11 3
1. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΝΤΛΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ 1.1 Γενικά Η σειρά Γεωθερμικών αντλιών θερμότητας Νερού-Nερού κατάλληλη για Γεωθερμικές εφαρμογές GEO-15-80 είναι το αποτέλεσμα μελέτης και σχεδίασης της ομάδας έρευνας και ανάπτυξης των φορέων Κ.Α.Π.Ε,ΙΝΤΕΡΚΛΙΜΑ ΑΒΕΕ και του Τ.Ε.Ι Στερεάς Ελλάδας (πρώην ΤΕΙ Χαλκίδας) στα πλαίσια του έργου ΓΕΩΑΙΧΜΗ το οποίο είχε στόχο τη δημιουργία μιας μεσαίας σειράς ψυκτών / αντλιών θερμότητας με στόχο υψηλή απόδοση, αξιοπιστία, υψηλά ποιοτικά κριτήρια και ελαχιστοποίηση διαστάσεων. Η σειρά αποτελείται από 6 μεγέθη που καλύπτουν ψυκτικές αποδόσεις από 15,2 έως 78,2 KW και θερμαντικές αποδόσεις από 16,9 έως 84,8 KW. Εικόνα 1: Κατασκευή των πρωτοτύπων στα εργαστήρια της ΙΝΤΕΡΚΛΙΜΑ 1.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά 1.2.1 Περίβλημα Το περίβλημα κατασκευάζεται από ισχυρά γαλβανισμένα χαλυβδο-ελάσματα, που φέρουν διαμορφώσεις για εξασφάλιση της αναγκαίας ακαμψίας. Όλα τα μεταλλικά 4
μέρη, μετά την κατασκευή τους, υφίστανται επιφανειακή επεξεργασία η oποία συνίσταται σε απολίπανση, φωσφάτωση, έκπλυση και ηλεκροστατική βαφή με χρώμα πούδρας απόχρωσης RΑΙ 9002 σε πάχος 60-70μ. Η όλη διαδικασία είναι τελείως αυτόματη και εξασφαλίζει, πέραν της άψογης εμφάνισης του προϊόντος, πολύ υψηλή αντοχή σε διάβρωση ακόμα και στις πλέον αντίξοες συνθήκες. Η αντοχή σε διάβρωση υπερβαίνει τις 500 ώρες δοκιμής σε αλατονέφωση κατά ΑDΤΜ Β-117. Η συναρμολόγηση του προϊόντος γίνεται αποκλειστικά με κοχλίωση. Έτσι αποφεύγονται τελείως οι ηλεκτροσυγκολλήσεις, που μπορούν να καταστρέψουν το γαλβάνισμα και να δημιουργήσουν εστίες διάβρωσης. Η σχεδίαση του προϊόντος έχει μελετηθεί λεπτομερώς από την μηχανολογική ομάδα της ΙΝΤΕΡΚΛΙΜΑ και έχει επιτευχθεί ελαχιστοποίηση διαστάσεων, που επιτρέπει την εύκολη μεταφορά, εγκατάσταση και συντήρηση σε περιορισμένους από άποψη διαστάσεων χώρους. Σε όλα τα προϊόντα της σειράς προβλέπονται αφαιρετές πόρτες επίσκεψης με ειδικά κλείστρα, για την εύκολη πρόσβαση στα εσωτερικά τμήματα μόνο από εξουσιοδοτημένους τεχνικούς. Τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα που απαιτεί η μονάδα για την σωστή λειτουργία της, βρίσκονται εντός ενός στεγανού ηλεκτρικού πίνακα με εύκολη πρόσβαση μέσω ειδικού κλειδιού. 1.2.2 Συμπιεστής Χρησιμοποιούνται ερμητικοί συμπιεστές σπειροειδούς (scroll) τύπου, ιδιαίτερα χαμηλής στάθμης θορύβου και χωρίς καθόλου κραδασμούς, βελτιστοποιημένοι για λειτουργία με ψυκτικό μέσο R410A. Οι συμπιεστές έχουν επιλεγεί από οίκο διεθνούς εμβέλειας, τον σημαντικότερο παγκοσμίως κατασκευαστή συμπιεστών αυτής της κατηγορίας. Είναι εφοδιασμένοι με ηλεκτρική αντίσταση ελαιοθαλάμου, για τον διαχωρισμό ελαίου-ψυκτικού μέσου όταν δεν λειτουργεί η συσκευή. Φέρουν επίσης εσωτερική ηλεκτρονική διάταξη προστασίας έναντι υπερφόρτισης. Η έδρασή τους γίνεται μέσω ειδικών ελαστικών βάσεων, που εκμηδενίζει την μεταφορά οποιουδήποτε θορύβου μέσω της βάσης του μηχανήματος. 5
Εικόνα 2: Συμπιεστές scroll 1.2.3 Πλακοειδείς Εναλλάκτες Θερμότητας Εξατμιστής Συμπυκνωτής Οι εναλλάκτες είναι πλακοειδούς κλειστού τύπου, ειδικοί για λειτουργία με ψυκτικό υγρό R410A υψηλής πίεσης, αυστηρά επιλεγμένοι από οίκο παγκοσμίου εμβέλειας. Κατασκευάζονται από ειδικά διαμορφωμένες πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα (ΑΙSI 316) για βέλτιστη μετάδοση θερμότητας. Οι πλάκες είναι επάλληλες και συναρμολογούνται μεταξύ τους με αυτοματοποιημένη διαδικασία με την μέθοδο της επαγωγής. Οι επάλληλες πλάκες επιτρέπουν την διέλευση του ψυκτικού υγρού από την μία πλευρά και του νερού από την άλλη σε αντίθετη ροή ώστε να προσδίδεται η να απάγεται όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ποσότητα θερμικής ενέργειας από το ψυκτικό υγρό προς το νερό. Το περίβλημα του εναλλάκτη διαθέτει μόνωση κατάλληλου πάχους. 6
Εικόνα 3: Πλακοειδής εναλλάκτης θερμότητας 1.2.4 Σύστημα ελέγχου με μικροεπεξεργαστή Το σύστημα ελέγχου είναι ηλεκτρονική διάταξη υψηλού τεχνολογικού επιπέδου, που συνδυάζει ευφυία και απλότητα χειρισμών. Το σύστημα διαχειρίζεται σε μόνιμη βάση όλες τις παραμέτρους λειτουργίας και ασφαλείας του μηχανήματος και εξασφαλίζει μεταξύ άλλων: Αυτόματη λειτουργία των συμπιεστών ανάλογα με την θερμοκρασία επιστροφής του νερού. Λειτουργία απόψυξης Έλεγχο αντλιών υδραυλικού κυκλώματος. Έλεγχος σειράς εκκίνησης συμπιεστών για την μείωση του ρεύματος εκκίνησης. Εναλλαγή συμπιεστών, προς εξασφάλιση ισόχρονης λειτουργίας. Χρονική καθυστέρηση στο ξεκίνημα του κάθε συμπιεστή. Καταγραφή ωρών λειτουργίας των συμπιεστών. Καταγραφή ωρών λειτουργίας αντλίας. ιαχείριση άνω των 150 παραμέτρων λειτουργίας. Αυτοδιαγνωστική διαδικασία σταματήματος του μηχανήματος σε περίπτωση χαμηλής παροχής νερού / υψηλής-χαμηλής πίεσης λειτουργίας / υπερφόρτιοης συμπιεστή. 7
Αυτοδιαγνωστική διαδικασία και ψηφιακή ένδειξη 30 περίπου πιθανών προβλημάτων συμπεριλαμβανομένης πιθανής αστοχίας των αισθητήρων μέτρησης. Ψηφιακές ενδείξεις διαφόρων μετρουμένων μεγεθών, όπως θερμοκρασίες εισόδου εξόδου νερού, στοιχείου κ.α. υνατότητα εξωτερικού διακόπτη Οn-Οff και μεταγωγέα ψύξης-θέρμανσης. ιάταξη επιτήρησης ηλεκτρικής τάσης με έλεγχο διαδοχής, ασυμμετρίας και απώλειας φάσεων. 1.2.5 Ψυκτικό κύκλωμα Όλα τα μηχανήματα της σειράς GEO αποτελούνται από ένα ψυκτικό κύκλωμα με ένα η δύο συμπιεστές. Το κύκλωμα περιλαμβάνει φίλτρο-ξηραντή, ηλεκτρονικές εκτονωτικές διατάξεις, πιεζοστάτη χαμηλής πίεσης αυτόματης επαναφοράς και υψηλής πίεσης, τετράοδη βαλβίδα αναστροφής, διαχωριστή υγρού/αερίου, βαλβίδα αντεπιστροφής, μανόμετρα υψηλής-χαμηλής πίεσης. 1.2.6 Προαιρετικά εξαρτήματα λειτουργίες - Προαιρετικές παραλλαγές στο σύστημα ελέγχου Εξωτερικό χειριστήριο με οθόνη φωτεινών ενδείξεων. υναμικός προγραμματισμός του σημείου λειτουργίας μέσω αναλογικού σήματος 4-20 mα. υνατότητα σύνδεσης σε σύστημα κτιριακής διαχείρισης (ΒΜS) μέσω πρωτοκόλλου Μodbus. Παράλληλη λειτουργία περισσοτέρων μονάδων μέσω επέκτασης του συστήματος ελέγχου. Κλειδί αναπρογραμματισμού του επεξεργαστή. Άλλα προαιρετικά εξαρτήματα/παραλλαγές. ιάταξη προστασίας του εναλλάκτη νερού έναντι παγώματος, ελεγχόμενη από το κεντρικό σύστημα ελέγχου. Βαλβίδα υπερπίεσης στην κατάθλιψη του συμπιεστή. Υδραυλικό συγκρότημα χωρίς δοχείο αδρανείας. Ηχητική μόνωση θαλάμου συμπιεστών. 8
2. ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ 2.1 Υπολογισμός απόδοσης Οι Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας 15,20,30,40 kw κατασκευάσθηκαν με 1 ψυκτικό κύκλωμα και 1 συμπιεστή. Οι Γεωθερμικές Αντλίας Θερμότητας 60,80Kw κατασκευάσθηκαν με 1 ψυκτικό κύκλωμα και 2 συμπιεστές παράλληλα συνδεδεμένους (TANDEM). Ο συντελεστής απόδοσης C.O.P. (Coefficient of Performance) υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: C.O.P =ΑΠΟ Ι ΟΜΕΝΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΧΥΣ /ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥ Όπου ΑΠΟ Ι ΟΜΕΝΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΧΥΣ =m *C* t m=παροχή μάζας νερού C=ειδική θερμοχωρητικότητα t=θερμοκρασία εξόδου νερού θερμοκρασία εισόδου νερού ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Μόνο της Αντλίας Θερμότητας δηλαδή Συμπιεστής + Σύστημα ελέγχου Επειτα από ενδελεχή μελέτη του συστήματος διαπιστώθηκε ότι οι τρόποι αύξησης της απόδοσης της Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας είναι οι ακόλουθοι: Επιλογή του κατάλληλου ψυκτικού μέσου (R410a) Τοποθέτηση ηλεκτρονικής εκτονωτικής βαλβίδας Εναλλαγή από ψύξη σε θέρμανση με αλλαγή των συνδέσεων του νερού και όχι με αλλαγή του ψυκτικού κύκλου Αύξηση της επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας και των δύο εναλλακτών θερμότητας. Τοποθέτηση δύο συμπιεστών σε μορφή Tandem όπου είναι εφικτό. Στη συνέχεια παρατίθενται οι παρεμβάσεις και παρατηρήσεις που στοχεύουν στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του συστήματος. 9
2.2 Ψυκτικό Μέσο Επειτα από διερεύνηση επιλέχθηκε το ψυκτικό μέσο R410a στις Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας γιατί έχει το μικρότερο Glide Temperature (υπό σταθερή πίεση, η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας κορεσμένου ατμού και της θερμοκρασίας κορεσμένου υγρού αναφέρεται ως "glide temperature" του ψυκτικού μέσου) σε σχέση με άλλα μίγματα (R407C). Το Glide επηρεάζει πολύ το βαθμό απόδοσης των εναλλακτών ειδικά όταν λειτουργούν σε ομορροή. 2.3 Εκτονωτική Βαλβίδα Όσον αφορά στην επιλογή της εκτονωτικής βαλβίδας συνίσταται η επιλογή ηλεκτρονικής εκτονωτικής βαλβίδας αντί θερμοεκτονωτικής αφού αξιοποιεί πλήρως τον εναλλάκτη θερμότητας μετρώντας με ακρίβεια την υπερθέρμανση (superheat). Επίσης, ανταποκρίνεται άμεσα στις μεταβολές των παραμέτρων του ψυκτικού κύκλου και παρουσιάζει σταθερότητα στην παροχή ψυκτικού υγρού στον εναλλάκτη. 2.4 Εναλλάκτης Θερμότητας ιαπιστώθηκε ότι ενδείκνυται η τοποθέτηση εναλλακτών μεγάλης επιφανείας γιατί ο βαθμός απόδοσης του ψυκτικού κύκλου αυξάνεται όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία εξάτμισης. Μικρότερη είναι η θερμοκρασία συμπύκνωσης. 2.5 Αλλαγή Ψυκτικού κύκλου Η αλλαγή από ψύξη σε θέρμανση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Με αλλαγή του ψυκτικού κύκλου Με αλλαγή της υδραυλικής σύνδεσης Στην αλλαγή του ψυκτικού κύκλου ένας από τους δύο εναλλάκτες θερμότητας βρίσκεται πάντα σε ομορροή άρα σε μειωμένο βαθμό απόδοσης. Στην αλλαγή της υδραυλικής σύνδεσης οι εναλλάκτες θερμότητας βρίσκονται πάντοτε σε αντιρροή άρα σε υψηλό βαθμό απόδοσης. Στην περίπτωση επιλογής της αλλαγής από ψύξη σε θέρμανση με αλλαγή της υδραυλικής σύνδεσης δε χρειάζονται η τετράοδος βάνα και οι αντεπίστροφες βαλβίδες. Αυτό αυξάνει περαιτέρω το βαθμό απόδοσης. 10
2.6 Συμπιεστές σε παράλληλη σύνδεση Η τοποθέτηση συμπιεστών σε παράλληλη σύνδεση (Tandem) δίνει μεγαλύτερο ετήσιο βαθμό απόδοσης γιατί στο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα λειτουργεί μόνο ο ένας συμπιεστής με διπλάσια επιφάνεια εναλλαγής και διπλάσια παροχή νερού και στα δύο κυκλώματα (Γεωθερμία και Φορτίο). 11