ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗΣ ΔΩΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΑΝΤΛΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ (ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΨΥΞΗ) ΦΡΑΓΚΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΣΥΝΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Γ.ΔΟΥΝΙΑΣ Κ.ΠΑΠΑΓΕΩΡΓΙΟΥ ΧΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2014 1
Ευχαριστίες Η εργασία αυτή εκπονήθηκε με σκοπό την περάτωση των σπουδών μου στο Πανεπιστήμιο Αιγαίου και συγκεκριμένα στο Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης. Η μελέτη αυτή ασχολείται με την αξιολόγιση ενεργειακής αναβάθμισης ενός δώματος και έναυσμα γι αυτήν μου δόθηκε από την πρακτική άσκηση που πραγματοποίησα στο Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.). Η πρακτική άσκηση μου προκάλεσε ιδιαίτερο ενδιαφέρον και με οδήγησε στην απόφαση να ασχοληθώ με τον κλάδο της ενέργειας οχι μόνο σε τεχνικά ζητήματα αλλά και στην οικονομική παρακολούθηση ενός έργου. Η εργασία αυτη ηταν κίνητρο για μένα, ώστε να μου ανοίξουν επαγγελματικοί ορίζοντες προς αυτή την κατεύθυνση. Θα ήθελα σε αυτό το σημείο να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους καθηγητές μου, τον κύριο Δούνια και τον κύριο Παπαγεωργίου, για την τιμή που μου έκαναν να μου αναθέσουν το συγκεκριμένο θέμα. Σε ολο το διάστημα της φοίτησης μου υπήρξαν αρωγοί και συμπαραστάτες όπως και το υπόλοιπο διαδακτικό προσωπικό της σχολής μας. Μέσα απο το Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης απέκτησα γνώσεις για να μπορώ να σταθώ επαρκώς σε ενα δύσκολο επαγγελματικό περιβάλλον αφού μου μεταλαμπάδευσαν ενα ευρύ φάσμα γνώσεων.με την ανάθεση αυτού του θέματος το οποίο σε συνδυασμό με το μάθημά της Θερμοδυναμικής και της Ανάλυσης Κόστους-Οφέλους και Επενδυτικές Αποφάσεις, που παρακολουθούσα ανελλιπώς, με έκαναν να καταλήξω ότι αποτελεί το αντικείμενο που με ενδιαφέρει να ασχοληθώ επαγγελματικά και στο μέλλον. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου, που με στήριξε όλα αυτά τα χρόνια και μου έδειξε εμπιστοσύνη, διότι χωρίς αυτούς δεν θα μπορούσα να φτάσω σε αυτό το σημείο. Πέρα από αυτό, τους αξίζει ένα μεγάλο ευχαριστώ διότι μου έδωσαν και συνεχίζουν να μου δίνουν όλα τα απαραίτητα εφόδια προκειμένου να γίνω ένας καλύτερος άνθρωπος. Φράγκος Κωνσταντίνος Χίος, Φεβρουάριος 2014 2
Πίνακας περιεχομένων Ευχαριστίες... 2 Πίνακας περιεχομένων... 3 Κατάλογος Σχημάτων... 7 Κατάλογος Πινάκων... 9 Περίληψη... 14 Μέθοδος... 15 Α ΜΕΡΟΣ: ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ... 16 1 Εισαγωγή... 16 2 Κλιματιστικές μονάδες... 17 2.1 Ορισμός Ιστορικά στοιχεία... 17 2.2 Αρχή λειτουργίας... 19 2.3 Κατηγοριοποίηση κλιματιστικών μονάδων... 21 2.4 Παράγοντες που καθορίζουν την απόδοσή των κλιματιστικών... 23 2.5 Εφαρμογή κλιματιστικών μονάδων σε κτηριακές εγκαταστάσεις... 24 3 Αντλίες θερμότητας... 25 3.1 Ορισμός Ιστορικά στοιχεία... 25 3.2 Αρχή λειτουργίας... 26 3.3 Βαθμοί απόδοσης COP - EER... 29 3.4 Κατηγοριοποίηση αντλιών θερμότητας... 31 3.5 Παράγοντες που καθορίζουν την απόδοσή των αντλιών θερμότητας... 33 3.6 Εφαρμογή αντλιών θερμότητας σε κτηριακές εγκαταστάσεις... 34 4 Υλικά μόνωσης βασισμένα στην νανοτεχνολογία... 36 4.1 Ορισμός Ιστορικά στοιχεία... 38 4.2 Περιγραφή μηχανισμού δράσης των νανοϋλικών σαν θερμομονωτικά υλικά... 39 4.3 Κατηγοριοποίηση μονωτικών υλικών νανοτεχνολογίας... 42 4.4 Παράγοντες που καθορίζουν την απόδοσή των μονωτικών υλικών νανοτεχνολογίας.. 44 4.5 Εφαρμογή υλικών νανοτεχνολογίας σε κτηριακές εγκαταστάσεις... 44 5 Βασικές έννοιες οικονομικής επιστήμης... 47 5.1 Οικονομική ζωή επένδυσης... 47 3
5.2 Κόστος ευκαιρίας... 48 5.3 Πληθωρισμός... 49 5.4 Μέθοδοι Κριτήρια λήψης οικονομοτεχνικών αποφάσεων... 49 5.4.1 Παρούσα αξία... 50 5.4.2 Ετήσια αξία... 51 5.4.3 Λόγος οφέλους - κόστους... 52 5.4.4 Εσωτερικός βαθμός απόδοσης... 54 Β ΜΕΡΟΣ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΔΩΜΑΤΟΣ... 57 6 Περιγραφή δώματος επιφάνειας 80 τετραγωνικών μέτρων... 57 6.1 Τεχνικά στοιχεία δώματος... 57 6.2 Σχέδιο δώματος... 58 7 Μελέτη περίπτωσης ψύξης δώματος με κλιματιστική μονάδα... 61 7.1 Μελέτη περίπτωσης δώματος με κλασική μόνωση... 61 7.1.1 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών της οικίας... 62 7.1.1.1 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών οροφής... 62 7.1.1.2 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από εξωτερικά δομικά στοιχεία... 63 7.1.1.3 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από ανοίγματα... 64 7.1.1.4 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από εσωτερικά δομικά στοιχεία... 65 7.1.1.5 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από φωτισμό... 67 7.1.1.6 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από ανθρώπους... 67 7.1.1.7 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από ηλεκτρικές συσκευές... 68 7.1.1.8 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών από αερισμό χώρων... 69 7.1.2 Υπολογισμός αριθμού και ισχύος κλιματιστικών μονάδων... 71 7.2 Μελέτη περίπτωσης δώματος που φέρει επιπλέον μόνωση με τα μονωτικά υλικά νανοτεχνολογίας... 72 7.2.1 Υπολογισμός ψυκτικών απωλειών οικίας με χρήση του μονωτικού υλικού νανοτεχνολογίας... 73 7.2.2 Υπολογισμός ποσότητας μονωτικού υλικού νανοτεχνολογίας... 74 7.2.3 Υπολογισμός αριθμού και ισχύος κλιματιστικών μονάδων μετά την εφαρμογή του υλικού της νανοτεχνολίας... 75 8 Μελέτη περίπτωσης ψύξης δώματος με αντλία θερμότητας... 76 8.1 Μελέτη περίπτωσης δώματος με κλασική μόνωση... 76 4
8.1.1 Υπολογισμός αριθμού και ισχύος αντλιών θερμότητας... 76 8.1.2 Υπολογισμός αριθμού μονάδων «fancoils»... 78 8.2 Μελέτη περίπτωσης δώματος που φέρει επιπλέον μόνωση με τα μονωτικά υλικά νανοτεχνολογίας... 78 8.2.1 Υπολογισμός αριθμού και ισχύος αντλιών θερμότητας μετά την εφαρμογή του υλικού της νανοτεχνολογίας... 79 8.2.2 Υπολογισμός αριθμού και ισχύος fancoils μετά την εφαρμογή του υλικού της νανοτεχνολογίας... 80 Γ ΜΕΡΟΣ: ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ... 81 9 Δημιουργία σεναρίων... 81 10 Κοστολόγηση προϊόντων... 82 10.1 Κοστολόγηση κλιματιστικών μονάδων... 82 10.1.1 Κόστος αγοράς και εγκατάστασης... 82 10.1.2 Κόστος λειτουργίας και συντήρησης... 83 10.2 Κοστολόγηση αντλιών θερμότητας... 84 10.2.1 Κόστος αγοράς και εγκατάστασης... 85 10.2.2 Κόστος λειτουργίας και συντήρησης... 85 10.3 Κοστολόγηση υλικού μόνωσης νανοτεχνολογίας... 87 11 Επιλογή βέλτιστης λύσης... 88 11.1 Κριτήριο βελτιστότητας... 88 11.1.1 Κριτήριο κόστους επένδυσης... 89 11.1.2 Κριτήριο παρούσας αξίας... 89 11.2 Βέλτιστη λύση... 90 11.2.1 Βέλτιστη λύση βάσει του κόστους επένδυσης (πηγή χρηματοδότησης ίδια κεφάλαια)... 90 11.2.2 Βέλτιστη λύση βάσει του κόστους επένδυσης (πηγή χρηματοδότησης δανειοδότηση)... 91 11.2.3 Βέλτιστη λύση βάσει του κριτηριού της παρούσας αξίας... 93 12 Ανάλυση ευαισθησίας... 101 12.1 Εύρεση της επικρατέστερης λύσης σύμφωνα με την μεταβολή της τιμής της κιλοβατώρας και του επιτοκίου... 102 12.2 Εύρεση της επικρατέστερης λύσης σύμφωνα με την μεταβολή της τιμής της κιλοβατώρας και του επιτοκίου για χρονικό ορίζοντα 15 έτη... 109 5
Συμπεράσματα... 111 Παράρτημα Α... 113 Α.1 Ψυκτικά φορτία οροφής... 113 Α.2 Ψυκτικά φορτία εξωτερικών δομικών στοιχείων... 117 Α.3 Ψυκτικά φορτία ανοιγμάτων... 123 Α.4 Ψυκτικά φορτία εσωτερικών δομικών στοιχείων... 127 Α.5 Ψυκτικά φορτία φωτισμού... 130 Α.6 Ψυκτικά φορτία ανθρώπων... 130 Α.7 Ψυκτικά φορτία συσκευών... 131 Α.8 Ψυκτικά φορτία αερισμού... 133 Α.9 Συνολικά ψυκτικά φορτία... 135 Παράρτημα Β... 136 Βιβλιογραφία... 145 6
Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1: Κλιματιστική μονάδα κατασκευασμένη από τον Carrier... 18 Σχήμα 2: Ψυκτικός κύκλος με συμπίεση ατμού... 19 Σχήμα 3: Ψυκτικός κύκλος και κατάσταση ψυκτικού μέσου σε κάθε θέση του... 20 Σχήμα 4: Δομή και λειτουργία τυπικής κλιματιστικής μονάδας... 21 Σχήμα 5: Κλιματιστικές μονάδες δωματίου... 22 Σχήμα 6: Ημικεντρικές μονάδες αερόψυκτου και υδρόψυκτου συμπυκνωτή... 23 Σχήμα 7: Εξωτερικό τμήμα μονάδων διαιρούμενου τύπου τοποθετημένο σε κτήρια... 24 Σχήμα 8: Θερμική (αριστερά) και ψυκτική (δεξιά) θερμοδυναμική μηχανή... 27 Σχήμα 9: Αντλία θερμότητας (με πηγή θερμότητας τον αέρα) σε λειτουργία θέρμανσης... 28 Σχήμα 10: Αντλία θερμότητας (με πηγή θερμότητας τον αέρα) σε λειτουργία ψύξης... 29 Σχήμα 11: Εφαρμογή αντλίας θερμότητας διαιρούμενου τύπου σε οικία για θέρμανση... 34 Σχήμα 12: Εφαρμογή αντλίας θερμότητας διαιρούμενου τύπου σε πολυκατοικίες και εμπορικά κτίρια... 35 Σχήμα 13: Διαφορά μεγέθους πόρων μεταξύ συμβατικού υλικού μόνωσης με χρήση κενού αέρος (Vacuum Insulation Panel VIP) και υλικού μόνωσης με χρήση νανοτεχνολογίας (Nano Insulation Material NIM)... 39 Σχήμα 14: Μείωση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας διαφόρων αερίων αναλόγως του μεγέθους των πόρων του υλικού... 40 Σχήμα 15: Μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του αέρα αναλόγως της διαμέτρου των πόρων του υλικού και της πίεσης σε αυτούς... 41 Σχήμα 16: Μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του αέρα συναρτήσει της διαμέτρου των πόρων του υλικού ανάλογα με την ενέργεια της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας... 42 Σχήμα 17: Κύριες εφαρμογές υλικών νανοτεχνολογίας... 43 Σχήμα 18: Μεταφορά θερμότητας σε έναν τοιχο με κλασικη μονωση και σε εναν που εχει εφαρμοστει το νανοϋλικο... 45 7
Σχήμα 19: Θερμογράφημα και γραφική παράσταση με τις θερμοκρασίες στις μεταλλικές επιφάνειες πριν και μετά την εφαρμογή του νανοϋλικού... 46 Σχήμα 20: Κάτοψη της υπό μελέτη οικίας... 59 Σχήμα 21: Τομή της υπό μελέτη οικίας... 59 Σχήμα 22: Όψη της υπό μελέτη οικίας... 60 Σχήμα 23: Δίαγραμμα χρηματοροής κλιματιστίκων μονάδων με κλασική μόνωση... 95 Σχήμα 24: Διαγράμμα χρηματοροής κλιματιστικών μονάδων με μόνωση νανοτεχνολογίας... 95 Σχήμα 25: Διαγράμμα χρηματοροής κλιματιστικών μονάδων με μόνωση νανοτεχνολογίαςκλιματιστικών μονάδων με κλασική μόνωση.... 96 Σχήμα 26: Διάγραμμα χρηματοροής αντλιών θερμότητας με κλασική μόνωση... 98 Σχήμα 27: Διάγραμμα χρηματοροής αντλιών θερμότητας με μόνωση νανοτεχνολογίας... 98 Σχήμα 28: Διάγραμμα χρηματοροής αντλιών θερμότητας με μόνωση νανοτεχνολογίας- αντλιών με κλασική μόνωση... 99 Σχήμα 29: Διάγραμμα χρηματοροής αντλιών θερμότητας με μόνωση νανοτεχνολογίαςκλιματιστικών με μόνωση νανοτεχνολογίας... 100 8
Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 4.1: Συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας διάφορων μονωτικών υλικών... 37 Πίνακας 7.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά κλιματιστικών για αρχική χρήση στην οικία... 72 Πίνακας 7.2: Υπολογισμός όγκου μονωτικού υλικού νανοτεχνολογίας... 74 Πίνακας 7.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά κλιματιστικών για χρήση στην οικία μετά την εφαρμογή του υλικού νανοτεχνολογίας... 75 Πίνακας 8.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά αντλιών θερμότητας για αρχική χρήση στην οικία... 77 Πίνακας 8.2: Τεχνικά χαρακτηριστικά μονάδων fan coil για αρχική χρήση στην οικία... 78 Πίνακας 8.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά αντλιών θερμότητας για χρήση στην οικία μετά την εφαρμογή του υλικού νανοτεχνολογίας... 79 Πίνακας 8.4: Τεχνικά χαρακτηριστικά μονάδων fan coil για χρήση στην οικία μετά την εφαρμογή του μονωτικού υλικού νανοτεχνολογίας... 80 Πίνακας 11.1: Κόστος επένδυσης ανά εναλλακτική λύση... 90 Πίνακας 11.2: Στοιχεία δανείου επένδυσης κλιματιστικών μονάδων χωρίς μονωτικό υλικό... 92 Πίνακας 11.3: Στοιχεία δανείου επένδυσης κλιματιστικών μονάδων με μονωτικό υλικό... 92 Πίνακας 11.4: Στοιχεία δανείου επένδυσης αντλιών θερμότητας χωρίς μονωτικό υλικό... 92 Πίνακας 11.5: Στοιχεία δανείου επένδυσης αντλιών θερμότητας με μονωτικό υλικό... 93 Πίνακας 11.6: Βασικές παραδοχές για υπολογισμό παρούσας αξίας... 93 Πίνακας 11.7: Χρηματοροές συστήματος κλιματισμού με κλιματιστικές μονάδες και μονωτικό υλικό νανοτεχνολογίας... 94 Πίνακας 11.8: Υπολογισμοί μεθόδου παρούσας αξίας συστήματος κλιματισμού με κλιματιστικές μονάδες και μονωτικό υλικό νανοτεχνολογίας... 97 Πίνακας 11.9: Υπολογισμοί μεθόδου παρούσας αξίας συστήματος κλιματισμού με κλιματιστικές μονάδες και αντλιων θερμοτητας με μονωτικό υλικό νανοτεχνολογίας... 100 Πίνακας 12.1: Τιμή κιλοβατώρας στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης... 101 Πίνακας 12.2: Χρηματοροές λύσεων για τιμή κιλοβατώρας 0,15 ευρώ... 102 9
Πίνακας 12.3: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,15 ευρώ και για επιτόκια απο 1% - 10 %... 103 Πίνακας 12.4: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,20 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 103 Πίνακας 12.5: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,25 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 104 Πίνακας 12.6: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,30 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 105 Πίνακας 12.7: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,35 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 105 Πίνακας 12.8: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,40 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 106 Πίνακας 12.9: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,45 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 106 Πίνακας 12.10: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,50 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 107 Πίνακας 12.11: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,55 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 108 Πίνακας 12.12: Παρούσες αξίες για τιμη κιλοβατώρας 0,55 ευρώ και για επιτοκια απο 1% εως 10 %... 108 Πίνακας 12.13: Επικρατέστερη λύση για κέθε τιμή κιλοβατώρας και επιτοκίου για 25 έτη... 109 Πίνακας 12.14: Επικρατέστερη λύση για κέθε τιμή κιλοβατώρας και επιτοκίου για 15 έτη... 110 Πίνακας Α1: Υπολογισμός διορθωμένης διαφοράς θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίου CLTD corr για την οροφή... 115 Πίνακας Α2: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας οροφής... 116 Πίνακας Α3: Υπολογισμός ψυκτικών φορτίων οροφής... 117 Πίνακας Α4: Υπολογισμός διορθωμένων διαφορών θερμοκρασίας ψυκτικών φορτίων CLTD corr για εξωτερικά δομικά στοιχεία βόρειου προσανατολισμού... 119 Πίνακας Α5: Υπολογισμός διορθωμένων διαφορών θερμοκρασίας ψυκτικών φορτίων CLTD corr για εξωτερικά δομικά στοιχεία ανατολικού προσανατολισμού... 119 10
Πίνακας Α6: Υπολογισμός διορθωμένων διαφορών θερμοκρασίας ψυκτικών φορτίων CLTD corr για εξωτερικά δομικά στοιχεία νότιου προσανατολισμού... 119 Πίνακας Α7: Υπολογισμός διορθωμένων διαφορών θερμοκρασίας ψυκτικών φορτίων CLTD corr για εξωτερικά δομικά στοιχεία δυτικού προσανατολισμού... 120 Πίνακας Α8: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας εξωτερικών δομικών στοιχείων τοιχοποιίας... 121 Πίνακας Α9: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας εξωτερικών δομικών στοιχείων σκυροδέματος... 121 Πίνακας Α10: Υπολογισμός επιφανειών εξωτερικών δομικών στοιχείων ανά προσανατολισμό... 122 Πίνακας Α11: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων για εξωτερικά δομικά στοιχεία βόρειου προσανατολισμού... 122 Πίνακας Α12: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων για εξωτερικά δομικά στοιχεία ανατολικού προσανατολισμού... 122 Πίνακας Α13: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων για εξωτερικά δομικά στοιχεία νότιου προσανατολισμού... 123 Πίνακας Α14: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων για εξωτερικά δομικά στοιχεία δυτικού προσανατολισμού... 123 Πίνακας Α15: Υπολογισμός διορθωμένης διαφοράς θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίου CLTD corr για τα ανοίγματα... 124 Πίνακας Α16: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας ανοιγμάτων... 125 Πίνακας Α17: Υπολογισμός επιφανειών ανοιγμάτων ανά προσανατολισμό... 125 Πίνακας Α18: Υπολογισμός ψυκτικών φορτίων ανοιγμάτων διαμέσου αγωγιμότητας... 125 Πίνακας Α19: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων λόγω ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου ανοιγμάτων με βόρειο προσανατολισμό... 126 Πίνακας Α20: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων λόγω ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου ανοιγμάτων με ανατολικό προσανατολισμό... 127 Πίνακας Α21: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων λόγω ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου ανοιγμάτων με νότιο προσανατολισμό... 127 Πίνακας Α22: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων λόγω ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου ανοιγμάτων με δυτικό προσανατολισμό... 127 11
Πίνακας Α23: Υπολογισμός διαφοράς θερμοκρασίας ανάμεσα στον κλιματιζόμενο και τον μη κλιματιζόμενο χώρο... 128 Πίνακας Α24: Υπολογισμός συντελεστή θερμοπερατότητας δαπέδου... 129 Πίνακας Α25: Υπολογισμός απωλειών ψυκτικών φορτίων διαμέσου εσωτερικών δομικών στοιχείων... 129 Πίνακας Α26: Υπολογισμός αισθητών φορτίων ανθρώπων... 130 Πίνακας Α27: Υπολογισμός λανθανόντων φορτίων ανθρώπων... 131 Πίνακας Α28: Αισθητά και λανθάνοντα φορτία οικιακών συσκευών... 132 Πίνακας Α29: Υπολογισμός αισθητών φορτίων οικιακών ηλεκτρικών συσκευών... 132 Πίνακας Α30: Υπολογισμός λανθανόντων φορτίων οικιακών ηλεκτρικών συσκευών... 133 Πίνακας Α31: Υπολογισμός αισθητών φορτίων αερισμού... 134 Πίνακας Α32: Υπολογισμός λανθανόντων φορτίων αερισμού... 134 Πίνακας Α33: Συνολικά ψυκτικά φορτία οικίας πριν και μετά την εφαρμογή του μονωτικού υλικού νανοτεχνολογίας... 135 Πίνακας Β1: Συνθήκες σχεδιασμού θερινής περιόδου... 136 Πίνακας Β2: Διαφορά θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίου CLTD για υπολογισμό ψυκτικού φορτίου σε επίπεδες στέγες... 136 Πίνακας Β3: Διόρθωση της διαφοράς θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίο CLTD αναλόγως του γεωγραφικού πλάτους και του μήνα υπολογισμού... 137 Πίνακας Β4: Υπολογισμός θερμικών αντιστάσεων για την περίπτωση της συναγωγής σε διάφορα δομικά στοιχεία... 137 Πίνακας Β5: Κατηγορίες κατασκευής εξωτερικής τοιχοποιίας... 138 Πίνακας Β6: Διαφορά θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίου CLTD για υπολογισμό ψυκτικού φορτίου σε ηλιαζόμενους τοίχους... 139 Πίνακας Β7: Διαφορά θερμοκρασίας ψυκτικού φορτίου CLTD για υπολογισμό ψυκτικού φορτίου μέσω αγωγιμότητας διαμέσου των ανοιγμάτων... 140 Πίνακας Β8: Θερμική αντίσταση του αέρα που ευρίσκεται μεταξύ διακένου υαλοπινάκων... 140 Πίνακας Β9: Συντελεστής σκίασης ανοιγμάτων... 140 12
Πίνακας Β10: Μέγιστο ηλιακό κέρδος SHGF για ηλιαζόμενα ανοίγματα σε γεωγραφικό πλάτος 36 ο... 141 Πίνακας Β11: Συντελεστής ψυκτικού φορτίου CLF για ανοίγματα με εσωτερική σκίαση... 141 Πίνακας Β12: Ποσοστό ημερήσιας διακύμανσης θερμοκρασίας... 142 Πίνακας Β13: Αισθητά και λανθάνοντα θερμικά κέρδη από ανθρώπους... 142 Πίνακας Β14: Συντελεστής ψυκτικού φορτίου CLF για ανθρώπους... 142 Πίνακας Β15: Αισθητά και λανθάνοντα φορτία οικιακών ηλεκτρικών συσκευών... 143 Πίνακας Β16: Συντελεστής ψυκτικού φορτίου CLF για οικιακές ηλεκτρικές συσκευές... 143 Πίνακας Β17: Απαιτήσεις αερισμού για διάφορους χώρους... 144 13
Περίληψη Το αντικείμενο της εργασίας αυτής που ακολουθεί, εντάσσεται στον κλάδο της ενεργειακής αναβάθμισης κτιρίων, με ιδιαίτερη ενασχόληση στα νανοϋλικά, τα οποία διαθέτουν σημαντικό δυναμικό προόδου σε διάφορα πεδία, εκ των οποίων και η ενεργειακή αναβάθμιση. Η εργασία αρχικά αναφέρεται σε μία αναλυτική περιγραφή των κλιματιστικών, των αντλιών θερμότητας και των μονωτικών υλικών της νανοτεχνολογίας,ώστε να καταστεί ευχερέστερα κατανοητή η έννοια των μέσων αυτών που θα λάβουμε υπόψιν μας. Στη συνέχεια θα ακολουθήσει μία σύντομη περιγραφή του δώματος 80 τ.μ., το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για να μετρηθούν οι θερμικές του απώλειες και να προσδιοριστούν οι παράγοντες οι οποίοι τις δημιουργούν. Αφού υπολογισθούν τα παραπάνω στοιχεία, θα προχωρήσουμε στη διαστασιολόγιση των μονάδων των κλιματιστικών και των αντλιών θερμότητας καθώς και στον προσδιορισμό του απαιτούμενου αριθμού των παραπάνω μέσων που πρέπει να χρησιμοποιηθούν προκειμένου να καλυφθούν οι θερμικές απώλειες. Ακολούθως θα υπολογίσουμε την ποσότητα του νανοϋλικού που πρέπει να χρησιμοποιήσουμε, η οποία θα είναι ανάλογη με το μέγεθος της επιφάνειας στην οποία θα το περάσουμε. Έπειτα θα μελετήσουμε ξανά την ισχύ καθώς και τον αριθμό των κλιματιστικών και των αντλιών θερμότητας που θα χρειαστούμε προκειμένου να καλυφθούν οι θερμικές απώλειες, όταν όμως έχει γίνει και χρήση του νανοϋλικού. Στο τέλος παρατίθεται το οικονομοτεχνικό μέρος της εργασίας, όπου μελετάται η κάθε περίπτωση ξεχωριστά προκειμένου να παρατηρηθεί ποιά είναι η βέλτιστη επιλογή. Αναφερόμαστε σε τέσσερις περιπτώσεις οι οποίες είναι η χρήση κλιματιστικού με κλασική μόνωση και η χρήση κλιματιστικού μετά την εφαρμογή του νανοϋλικού και αντίστοιχα, η χρήση αντλιών θερμότητας με κλασική μόνωση και η χρήση αντλιών θερμότητας με μόνωση μετά την εφαρμογή του νανοϋλικού. 14
Μέθοδος Στην παρούσα διπλωματική εργασία ακολουθείται μια συγκεκριμένη μέθοδος έτσι ώστε να καταλήξει στα ορθά συμπεράσματα προσπαθώντας ταυτόχρονα να ελαχιστοποιηθούν οι παράγοντες που προκαλούν τα σφάλματα. Έτσι η εργασία δομείται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος παρουσιάζει το θεωρητικό υπόβαθρο που πρέπει να ξέρει όποιος μελετήσει την παρούσα εργασία ώστε να μπορεί να αντιληφθεί το ερευνητικό σκέλος της. Τα υπόλοιπα δύο μέρη εντάσσονται στο ερευνητικό σκέλος της παρούσας διπλωματικής. Στο δεύτερο μέρος γίνεται η διαστασιολόγηση των επιμέρους τμημάτων του συστήματος ψύξης ενός δώματος ανά περίπτωση. Στο τρίτο μέρος γίνεται μια πολυκριτηριακή ανάλυση ώστε να επιλεχθεί η βέλτιστη δυνατή λύση. Με αυτή την μέθοδο εξασφαλίζεται ότι εάν και εφόσον βρεθούν όλες οι δυνατές λύσεις ενός προβλήματος τότε από αυτές θα προκύψει η βέλτιστη. Έτσι στο τέλος της διατριβής θα είμαστε σε θέση να υποδείξουμε την βέλτιστη τεχνοοικονομικά λύση για την ψύξη ενός δώματος. 15
Α ΜΕΡΟΣ: ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1 Εισαγωγή Στις μέρες μας η ανάγκη και η επιθυμία των ανθρώπων για οικονομικότερη και παράλληλα αποδοτικότερη θέρμανση και ψύξη οδήγησε στη δημιουργία νέων τεχνολογιών, που μειώνουν σημαντικά το κόστος και παράλληλα αυξάνουν την απόδοση. Η παραπάνω παραδοχή με οδήγησε στην συγγραφή της εργασίας προκειμένου να μελετηθεί ο βέλτιστος τρόπος με τον οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί αυτό. Η ενεργειακή αναβάθμιση ενός δώματος αφορά τις επεμβάσεις που κρίνεται εύλογο να γίνουν σε αυτό προκειμένου να μειωθούν οι ενεργειακές του ανάγκες για θέρμανση και ψύξη. Στην εργασία που ακολουθεί έχουν παρατηρηθεί οι ενεργειακές ανάγκες που αφορούν στην ψύξη του δώματος Τα μέσα που χρησιμοποιούνται για τον παραπάνω σκοπό είναι οι κλιματιστικές μονάδες ενεργειακής κλάσης τουλάχιστον Α και μεταβλητών στροφών συμπιεστή, οι αντλίες θερμότητας χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και μεταβλητών στροφών συμπιεστή και τέλος ένα μονωτικό νανοϋλικό που έχει ως χαρακτηριστικό, όπως θα αναλυθεί περαιτέρω, τη μικρή θερμική αγωγιμότητα και τη μεγάλη ανακλαστικότητα.προκειμένου να υπολογίσουμε τις θερμικές απώλειες του δώματος λάβαμε υπόψιν μας τις ψυκτικές απώλειες της οροφής, των εξωτερικών και εσωτερικών δομικών στοιχείων, των απωλειών από ανοίγματα, από φωτισμό, από ανθρώπους, από ηλεκτρικές συσκευές και τέλος από τον αερισμό των χώρων. Λαμβάνοντας υπόψιν τους παραπάνω παράγοντες και έπειτα από την οικονομοτεχνική μελέτη που πραγματοποιήσαμε, θα αναφερθούμε εν τέλει στην βέλτιστη επιλογή, δηλαδή εκείνη που θα μας παρέχει μακροπρόθεσμα καλύτερη και οικονομικά πιο συμφέρουσα λύση. Αντίθετα, μια συμβατική επιλογή θα μπορούσε στην παρούσα φάση να φαίνεται καλύτερη αλλά οι αποδόσεις της στο μέλλον να μην είναι οι αναμενόμενες. 16
2 Κλιματιστικές μονάδες Ως κλιματισμός ορίζεται η διαδικασία ελέγχου και ρύθμισης στα επιθυμητά όρια της θερμοκρασίας, της υγρασίας, της ποιότητας και της κυκλοφορίας του αέρα ώστε να επιτευχθεί η άνεση των ευρισκόμενων εντός των χώρων ανθρώπων, ανεξαρτήτως των καιρικών συνθηκών που επικρατούν εκτός του χώρου. Βάσει αυτού του ορισμού κλιματιστικές είναι οι μονάδες οι οποίες μπορούν να προσφέρουν θέρμανση ή ψύξη όλο το έτος και ταυτόχρονα ύγρανση ή αφύγρανση, κυκλοφορία και ανανέωση του αέρα ενός χώρου. Μάλιστα, την πρώτη φορά που χρησιμοποιήθηκε ο όρος κλιματισμός, πίσω στο μακρινό 1907, από τον Cramer, έγινε σε διάλεξη για τον περιορισμό της υγρασίας σε μονάδες υφαντουργίας. Εντούτοις, παρά την γενικότερη έννοια του όρου του κλιματισμού, όταν ακούει ένας άνθρωπος μια κλιματιστική μονάδα τότε το μυαλό του πάει κατευθείαν στο κλιματιστικό το οποίο του προσφέρει δροσιά την θερινή περίοδο. Έτσι, σε αυτή την εργασία, η αναφορά για κλιματιστική μονάδα συνεπάγεται μια μονάδα η οποία έχει την δυνατότητα να αποδώσει ψύξη στον υπό μελέτη χώρο. [1] 2.1 Ορισμός Ιστορικά στοιχεία Βάσει των παραπάνω ως κλιματιστική μονάδα ορίζεται οποιαδήποτε μονάδα μπορεί να φέρει ένα χώρο σε συνθήκες άνεσης την θερινή περίοδο παρέχοντάς του ψυκτικά φορτία. Αυτός είναι ένας σύντομος και περιεκτικός ορισμός μιας κλιματιστικής μονάδας που έχει ως στόχο την ψύξη ενός χώρου. Η πρώτη κλιματιστική μονάδα εφευρέθηκε σχετικά πρόσφατα, μόλις το 1834, όταν ο Perkins κατασκεύασε τον πρώτο συμπιεστή, έστω και χειροκίνητο, που χρησιμοποιούσε ψυκτικό υγρό (συγκεκριμένα χρησιμοποιούσε το αιθάνιο). Η επόμενη ιστορική αναφορά συναντάται στο 1851 όταν ένας Αμερικάνος γιατρός, φυσικός και ερευνητής, ο Gorrie, κατασκεύασε και έθεσε σε λειτουργία μια μηχανή ψύξης.πέντε χρόνια αργότερα, το 1856, ο Linde βελτίωσε την ψυκτική μηχανή του Gorrie αλλάζοντας το ψυκτικό μέσο και χρησιμοποιώντας αμμωνία. [1] Από εκεί και πέρα, και για αρκετά χρόνια δεν υπήρξαν εξελίξεις στον συγκεκριμένο τομέα της μηχανικής.τις επόμενες αναφορές για κλιματισμό τις συναντάμε τον 20 ο αιώνα. 17
Συγκεκριμένα, το 1911, ο Carrier έβαλε τις επιστημονικές βάσεις του κλιματισμού δημοσιεύοντας τα αποτελέσματα των πολυετών ερευνών του. Μάλιστα εκείνη την χρονιά παρουσίασε και τον περίφημο ψυχρομετρικό χάρτη. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται μια από τις κλιματιστικές μονάδες που έχει κατασκευάσει ο Carrier. [2] Σχήμα 1: Κλιματιστική μονάδα κατασκευασμένη από τον Carrier Πηγή: [3] Την δεκαετία του 1930 έγιναν προσπάθειες ώστε να παραχθούν μαζικά κλιματιστικά μηχανήματα και χρησιμοποιήθηκε ευρέως το φρέον 12. [3] Άλλωστε αυτή η δεκαετία μπορεί να θεωρηθεί και ορόσημο για τα κλιματιστικά. Σε αυτή την δεκαετία ο Pond παρουσιάζει στην αγορά για πρώτη φορά ένα νέο ψυκτικό μέσο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις κλιματιστικές μονάδες με πολύ καλή απόδοση και φέρει την ονομασία φρέον. Αυτό καθιστά πολύ πιο αποδοτικές τις κλιματιστικές μονάδες. [1] Η συνέχεια της εξέλιξης των κλιματιστικών μονάδων είναι λίγο πολύ αναμενόμενη. Οι μονάδες εξαπλώνονται αρχικά σε όλους τους επαγγελματικούς χώρους καθώς και σε οίκιες ώστε να καθιστούν πιο άνετη την παραμονή των υπαλλήλων σε αυτούς. 18
2.2 Αρχή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας του κλιματιστικού βασίζεται στον ψυκτικό κύκλο όπως αυτός ορίζεται στην επιστήμη της θερμοδυναμικής. Ειδικότερα, το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα ορίζει ότι για να απορροφήσουμε θερμότητα από ένα χώρο θα πρέπει να καταναλώσουμε έργο άρα ενέργεια καθώς δεν μπορεί από μόνη της η θερμότητα να μεταφερθεί από ένα ψυχρότερο σε ένα θερμότερο χώρο. Ο ψυκτικός θερμοδυναμικός κύκλος απαιτεί ένα ψυκτικό στοιχείο διαμέσου του οποίου ένα ψυκτικό υγρό ατμοποιείται λαμβάνοντας θερμότητα από τον ψυχόμενο χώρο. Το εξατμισμένο πλέον υγρό οδηγείται στον συμπιεστή όπου συμπιέζεται σε τέτοιο βαθμό ώστε να μπορεί να υγροποιηθεί σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Φυσικό επακόλουθο είναι η ύπαρξη ενός συμπυκνωτή στον οποίο ακολουθεί η υγροποίηση του ψυκτικού μέσου και ταυτόχρονη αποβολή θερμότητας προς το περιβάλλον. Τέλος, οδηγείται διαμέσου μιας εκτονωτικής βαλβίδας στην οποία η πίεση επανέρχεται στα αρχικά επίπεδα στο ψυκτικό στοιχείο. Η κλειστή διαδρομή δίδει και το όνομα ψυκτικός κύκλος καθώς είναι κάτι που επαναλαμβάνεται διαρκώς [3]. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται ο ψυκτικός κύκλος με συμπίεση ατμού και στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται ο ψυκτικός κύκλος και οι περιοχές υγρού και αέριου ψυκτικού μέσου. ΘΕΡΜΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ QH ΒΑΛΒΙΔΑ ΕΚΤΟΝΩΣΗΣ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑΣ QL ΨΥΧΟΜΕΝΟ ΜΕΣΟ Σχήμα 2: Ψυκτικός κύκλος με συμπίεση ατμού Πηγή: [14] 19
ΓΡΑΜΜΗ ΥΓΡΟΥ ΨΥΚΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΓΡΑΜΜΗ ΑΤΜΟΥ ΕΚΤΟΝΩΤΙΚΟ ΜΕΣΟ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ Σχήμα 3: Ψυκτικός κύκλος και κατάσταση ψυκτικού μέσου σε κάθε θέση του Πηγή: [3] Με δεδομένη την λειτουργία του ψυκτικού κύκλου όπως καταγράφηκε παραπάνω είναι πολύ εύκολο να κατανοηθεί η λειτουργία μιας κλιματιστικής μονάδας. Η κλιματιστική μονάδα περιέχει δύο εναλλάκτες θερμότητας. Ο πρώτος εναλλάκτης βρίσκεται εντός του χώρου που πρέπει να ψυχθεί και σε αυτό μεταφέρεται θερμότητα από τον χώρο στο ψυκτικό μέσο. Αποτέλεσμα αυτού είναι η ψύξη του χώρου καθώς απάγεται θερμότητα και η ταυτόχρονη θέρμανση του ψυκτικού μέσου το οποίο εξατμίζεται. Ο δεύτερος εναλλάκτης βρίσκεται εκτός του χώρου και σε άμεση επαφή με το περιβάλλον. Σε αυτό τον εναλλάκτη το θερμό ψυκτικό δίνει μέρος της θερμότητάς του στο περιβάλλον έτσι ώστε να μειωθεί αρκετά και να υγροποιηθεί. Ενδιάμεσα των δύο εναλλακτών έχει τοποθετηθεί ο συμπιεστής. Στην είσοδό του μπαίνει εξατμισμένο ψυκτικό από τον πρώτο εναλλάκτη. Ο συμπιεστής αυξάνει την πίεση άρα με βάση την θερμοδυναμική αυξάνει και την θερμοκρασία του αέριου ψυκτικού. Στην έξοδό του το ψυκτικό έχει μεγαλύτερη πίεση και θερμοκρασία. Η αυξημένη όμως πίεση συνεπάγεται ότι υγροποιείται σε υψηλότερη θερμοκρασία κάτι που εκμεταλλεύεται ο δεύτερος εναλλάκτης για να συμπυκνώσει το ψυκτικό υγρό. Τέλος, για να κλείσει ο κύκλος, μια εκτονωτική βαλβίδα παρεμβάλλεται διαμέσου του δεύτερου και του πρώτου εναλλάκτη ώστε να μειώσει την πίεση του υγρού πλέον ψυκτικού μέσου. Με δεδομένη την χαμηλότερη πίεση μειώνεται και η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου έτσι καθώς εισέρχεται στον πρώτο εναλλάκτη μπορεί να παραλάβει ξανά θερμικά φορτία από τον χώρο. Αυτή είναι μια συνοπτική περιγραφή της λειτουργίας μιας κλιματιστικής μονάδας [15]. Το Σχήμα 4 παρουσιάζει αναλυτικά τα μέρη μιας τέτοιας μονάδας και συνοπτικά την λειτουργία της. Στο κάτω μέρος του σχήματος αυτού παρουσιάζεται και η ύπαρξη ενός φούρνου παροχής θερμότητας ο οποίος είναι υπεύθυνος για 20
την αντιστροφή του κύκλου και την λειτουργία της κλιματιστικής μονάδας και για παραγωγή θερμότητας. Σχήμα 4: Δομή και λειτουργία τυπικής κλιματιστικής μονάδας Πηγή: [15] 2.3 Κατηγοριοποίηση κλιματιστικών μονάδων Οι κλιματιστικές μονάδες μπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες με κριτήριο το μέγεθος των χώρων που ψύχονται από την κλιματιστική μονάδα. Βάσει αυτού διακρίνουμε τρεις κατηγορίες, τις μονάδες δωματίου (τοίχου ή διαιρούμενες), τις ημικεντρικές μονάδες και τις κεντρικές μονάδες. Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται αναλυτικότερα αυτές οι κατηγορίες και οι κλιματιστικές μονάδες που εντάσσονται σε κάθε μια από αυτές. [2] Οι κλιματιστικές μονάδες δωματίου είναι οι πιο μικρές και οι πιο απλές στην κατασκευή τους. Σε αυτές εντάσσονται οι μονάδες τοίχου ή παραθύρου και οι διαιρούμενες μονάδες. Οι μονάδες τοίχου ή παραθύρου τοποθετούνται σε μια τρύπα του τοίχου ή σε ένα παράθυρο και περιλαμβάνουν μέσα και τα 4 συστήματα που απαιτούνται για την λειτουργία τους. Το ότι βρίσκεται ο συμπιεστής όμως στο ίδιο δωμάτιο που ψύχεται δημιουργεί μεγάλο πρόβλημα κυρίως θορύβου για αυτό και αυτές οι μονάδες έχουν εξαφανιστεί, συναντούνται πολύ σπάνια. Οι πλέον συνηθισμένες είναι οι μονάδες διαιρούμενου τύπου που επικράτησαν γιατί εμφανίζουν 21
λιγότερο θόρυβο και μπορούν να τοποθετηθούν σε όποιο χώρο του κτιρίου θέλουμε και όχι απαραίτητα σε εξωτερικό τοίχο [2]. Στο Σχήμα 5 φαίνονται οι δύο κλιματιστικές μονάδες δωματίου, αριστερά η μονάδα τοίχου (Α) και δεξιά η διαιρούμενη μονάδα (Β). Σχήμα 5: Κλιματιστικές μονάδες δωματίου Πηγή: [2] Η δεύτερη κατηγορία είναι οι ημικεντρικές μονάδες οι οποίες στοχεύουν στον κλιματισμό περισσότερων του ενός δωματίων ή μεγάλων χώρων όπως για παράδειγμα ενός εστιατορίου, μιας καφετέριας κλπ. Ημικεντρικές μονάδες εμφανίζονται και μονομπλόκ και διαιρούμενου τύπου με τις δεύτερες να είναι πολύ πιο συνηθισμένες. Οι διαιρούμενου τύπου μονάδες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αερόψυκτο ή υδρόψυκτο συμπυκνωτή (πύργος ψύξης ή ψύκτης chiller). Η διαφορά των δύο έγκειται στον τρόπο που αποδίδουν την θερμότητα στο περιβάλλον, οι μεν πρώτες διαμέσου αέρα οι δε δεύτερες διαμέσου νερού. Οι ψύκτες είναι πάντως μια διφορούμενη περίπτωση όπου μεγάλο μέρος της βιβλιογραφίας τους εντάσσει στις αντλίες θερμότητας. Συνήθως προτιμούνται οι αερόψυκτες κλιματιστικές μονάδες γιατί έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος αγοράς. Οι ημικεντρικές μονάδες μπορούν να τροφοδοτούν τον χώρο με κρύο αέρα είτε διαμέσου ενός δικτύου αεραγωγών είτε είναι τύπου ντουλάπας όπου το εσωτερικό μέρος της μονάδας μοιάζει με ντουλάπα και τοποθετείται εντός του χώρου τον οποίο θέλει να ψύξει [2]. Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται μια διαιρούμενου τύπου ημικεντρική κλιματιστική μονάδα τύπου ντουλάπας με αερόψυκτο (αριστερά) και υδρόψυκτο (δεξιά) συμπυκνωτή. 22
Σχήμα 6: Ημικεντρικές μονάδες αερόψυκτου και υδρόψυκτου συμπυκνωτή Πηγή: [2] Η τρίτη και τελευταία κατηγορία είναι οι κεντρικές κλιματιστικές μονάδες οι οποίες έχουν ως στόχο τον πλήρη κλιματισμό ολόκληρου του κτιρίου. Οι μονάδες αυτές είναι δύο κατηγοριών. Η πρώτη κατηγορία αφορά μονάδες με υδρόψυκτο συμπιεστή σαν αυτές που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη κατηγορία μεγαλύτερης όμως ψυκτικής ισχύος. Η δεύτερη κατηγορία είναι οι αντλίες θερμότητας για τις οποίες θα γίνει ενδελεχής αναφορά στο επόμενο κεφάλαιο. [2] 2.4 Παράγοντες που καθορίζουν την απόδοσή των κλιματιστικών Η απόδοση των κλιματιστικών μονάδων εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες. Ο πρώτος παράγοντας σχετίζεται με τις ιδιότητες του ψυκτικού μέσου που χρησιμοποιείται. Εάν το χρησιμοποιούμενο ψυκτικό μέσο έχει μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας τότε μπορεί να απαγάγει σε κάθε κύκλο περισσότερα θερμικά φορτία καθώς θα αυξηθούν τα όρια των θερμοκρασιών στα οποία θα λειτουργεί ο ψυκτικός κύκλος άρα και το ωφέλιμο έργο που θα παράγει (καθώς το ωφέλιμο έργο εκφράζεται από το εμβαδόν του ψυκτικού κύκλου). Ο δεύτερος παράγοντας που παίζει ρόλο είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Εάν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι υψηλή τότε δυσκολεύεται η απαγωγή θερμότητας από το ψυκτικό μέσο στο περιβάλλον στον εναλλάκτη του συμπυκνωτή καθώς η θερμοκρασιακή διαφορά των δύο είναι μικρότερη και μειώνεται η ροή θερμότητας. Αυτό συνεπάγεται δυσκολία απαγωγής φορτίων από τον χώρο και δυσχεραίνει την ψύξη του. Για αυτό άλλωστε είναι τοις πάσι γνωστό ότι τα κλιματιστικά έχουν μειωμένη απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος. [6] 23
2.5 Εφαρμογή κλιματιστικών μονάδων σε κτηριακές εγκαταστάσεις Οι κλιματιστικές μονάδες βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε πάρα πολλές κτηριακές εγκαταστάσεις. Οι πλέον συνηθισμένες μονάδες είναι οι μονάδες δωματίου διαιρούμενου τύπου οι οποίες χρησιμοποιούνται σε σπίτια και μικρούς επαγγελματικούς χώρους (πχ γραφεία). Είναι οι μονάδες των οποίων το εξωτερικό τμήμα βλέπουμε έξω από τα κτίρια όπως φαίνεται και στο Σχήμα 7. Σχήμα 7: Εξωτερικό τμήμα μονάδων διαιρούμενου τύπου τοποθετημένο σε κτήρια Πηγή: [1] Δεύτερες σε αριθμό χρήσης είναι οι ημικεντρικές μονάδες οι οποίες χρησιμοποιούνται για να ψύξουν μεγάλους σε έκταση χώρους. Τέλος, οι κεντρικές μονάδες που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι με πύργο ψύξης. Αυτές οι μονάδες χρησιμοποιούνται όταν δεν απαιτείται καθόλου θέρμανση του χώρου ή όταν η θέρμανση παρέχεται από κεντρικό σύστημα θέρμανσης με χρήση λέβητα. Σε περίπτωση που απαιτείται το σύστημα κλιματισμού να καλύψει και τις ανάγκες θέρμανσης του χώρου σε κεντρικά συστήματα χρησιμοποιούνται αντλίες θερμότητας οι οποίες παρουσιάζονται στο επόμενο κεφάλαιο. 24
3 Αντλίες θερμότητας Ως αντλίες θερμότητας ορίζονται επιστημονικά όλες εκείνες οι διατάξεις που μεταφέρουν θερμότητα από ένα μέσο χαμήλης θερμοκρασίας σε ένα μέσο υψηλής θερμοκρασίας. Θεωρητικά σε αυτή την κατηγορία εντάσσονται και οι κλιματιστικές μονάδες που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, στην πράξη όμως, στην αγορά επικράτησε να χρησιμοποιείται ο όρος αντλίες θερμότητας σε μηχανήματα τα οποία έχουν την δυνατότητα να παράξουν μόνο θέρμανση. Εξαίρεση αποτελούν οι μονάδες που δύναται να αποδώσουν και θέρμανση και ψύξη στον χώρο οι οποίες ονομάζονται και αυτές αντλίες θερμότητας. Η κύρια διαφορά με τις κλιματιστικές μονάδες βρίσκεται στο μέσο μεταφοράς της θερμότητας το οποίο για τις αντλίες είναι το νερό και όχι ο αέρας. Το παρόν κεφάλαιο αναφέρεται στις αντλίες θερμότητας γενικά ξεκινώντας από τον ορισμό τους και τα ιστορικά τους στοιχεία τα οποία ως ένα βαθμό έχουν κοινή προέλευση με τις κλιματιστικές μονάδες. Ακολουθεί η καταγραφή του τρόπου λειτουργίας τους και ακολούθως παρουσιάζονται οι βαθμοί απόδοσης COP και EER, πολύ σημαντικοί για την αξιολόγηση ενός μηχανήματος. Η κατηγοριοποίηση των αντλιών είναι το επόμενο στοιχείο που αναλύεται στο παρόν κεφάλαιο το οποίο κλείνει με την καταγραφή των παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση των αντλιών και την περιγραφή διάφορων εφαρμογών που βρίσκουν οι αντλίες θερμότητας στα κτίρια. 3.1 Ορισμός Ιστορικά στοιχεία Οι αντλίες θερμότητας είναι οι μηχανές οι οποίες χρησιμοποιούν τον θερμικό θερμοδυναμικό κύκλο ή έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιούν και τον θερμικό και τον ψυκτικό θερμοδυναμικό κύκλο. Με την ονομασία αυτή λοιπόν συναντάμε μονάδες οι οποίες έχουν την δυνατότητα για θέρμανση και πιθανόν για ψύξη ενός χώρου. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω οι αντλίες θερμότητας είναι οι μηχανές οι οποίες έχουν την δυνατότητα να αντλούν θερμότητα από μια πηγή και να την μεταφέρουν σε μια άλλη. Κάποιες από αυτές έχουν την δυνατότητα να αναστρέφουν αυτό τον κύκλο και με αυτό τον τρόπο να μεταφέρουν την θερμότητα από ένα μέσο χαμηλής θερμοκρασίας και να την αποδίδουν σε χώρο υψηλότερης θερμοκρασίας. [14] 25
Η ιστορική πορεία των αντλιών θερμότητας είναι συνυφασμένη ως ένα σημείο με την ιστορία των κλιματιστικών μονάδων καθώς έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας. Ειδικά ο ψυκτικός κύκλος που ακολουθεί η αντλία θερμότητας για να καλύψει ψυκτικά φορτία είναι ακριβώς ο ίδιος με τον ψυκτικό κύκλο που ακολουθεί το κλιματιστικό. Αυτό αποδεικνύεται άλλωστε και από την πορεία του Carrier ο οποίος είναι ένας από τους πιο γνωστούς κατασκευαστές αντλιών θερμότητας (η εταιρία που φέρει το όνομά του είναι ακόμη και σήμερα μια από τις πιο αξιόπιστες παραγωγούς αντλιών θερμότητας) αλλά ήδη έχει παρουσιαστεί στο προηγούμενο κεφάλαιο καθώς αρχικά παρουσίασε μια ψυκτική μηχανή για κλιματισμό ενός χώρου. Ο πρώτος διαχωρισμός της ιστορίας μεταξύ κλιματιστικών μονάδων και αντλιών θερμότητας μπορεί να γίνει μετά τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο όταν ο Αμερικάνος εφευρέτης Webber κατασκευάζει για πρώτη φορά μια αντλία θερμότητας και την συνδέει με το σπίτι του για να του καλύπτει τις θερμικές ανάγκες. Η πραγματική ανάπτυξη των αντλιών θερμότητας έγινε μετά την μεγάλη πετρελαϊκή κρίση του 1981. Τότε το κόστος του πετρελαίου αυξήθηκε δραματικά με αποτέλεσμα την ανάγκη εξεύρεσης ενός φθηνότερου καυσίμου για να καλύψει τις θερμικές ανάγκες των κτιρίων. Το καύσιμο αυτό ήταν ο ηλεκτρισμός με αποτέλεσμα να γνωρίσουν ραγδαία αύξηση οι αντλίες θερμότητας και να επικρατήσουν κυρίως σε εμπορικές χρήσεις (συγκροτήματα γραφείων, εμπορικά κέντρα, θέατρα, κινηματογράφοι κλπ). 3.2 Αρχή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας η οποία έχει την δυνατότητα να παράγει και θερμικά και ψυκτικά φορτία βασίζεται σε δύο θερμοδυναμικές μηχανές, την θερμική και την ψυκτική (στην βιβλιογραφία συναντάται πολλές φορές και με το όνομα αντίστροφη θερμική μηχανή). Στο Σχήμα 8 παρουσιάζονται αυτές οι δύο μηχανές. Οι δύο μηχανές έχουν ακριβώς τον αντίστροφο τρόπο λειτουργίας. Η θερμική μηχανή δέχεται θερμότητα από ένα θερμοδοχείο υψηλής θερμοκρασίας και την αποβάλλει σε ένα δεύτερο θερμοδοχείο χαμηλότερης θερμοκρασίας και ταυτόχρονα με αυτή την διεργασία παράγει έργο. Το έργο σε αυτή την περίπτωση ισούται με την διαφορά των θερμοκρασιών των δύο θερμοδοχείων συν τις τυχόν απώλειες που έχει η θερμική μηχανή. Στην ψυκτική μηχανή η θερμότητα μετακινείται από το θερμοδοχείο χαμηλής θερμοκρασίας στο δοχείο υψηλής θερμοκρασίας. Για να επιτευχθεί όμως αυτή η κίνηση που είναι αντίθετη στα θερμοδυναμικά αξιώματα απαιτείται καταβολή έργου από 26
την ψυκτική μηχανή. Το απαιτούμενο έργο ισούται με την μεταβολή της θερμότητας συν τις απώλειες της ψυκτικής μηχανής. [10] Thot Thot Qin Qout Wout Win Qout Qin Tcold HEAT ENGINE Tcold REVERSED HEAT ENGINE Σχήμα 8: Θερμική (αριστερά) και ψυκτική (δεξιά) θερμοδυναμική μηχανή Πηγή: [13] Βάσει των παραπάνω είναι εμφανής η ομοιότητα της αντλίας θερμότητας με τις κλιματιστικές μονάδες. Ακόμη πιο εμφανής γίνεται με την παράθεση των Σχημάτων 9 και 10 στα οποία παρουσιάζεται ο θερμικός και ο ψυκτικός θερμοδυναμικός κύκλος μιας αντλίας θερμότητας με ικανότητα παραγωγής θερμικών και ψυκτικών φορτίων. Στο πρώτο σχήμα παρουσιάζεται η λειτουργία της αντλίας θερμότητας για την παραγωγή των θερμικών φορτίων. Η λειτουργία αυτή είναι πολύ απλή. Το ψυκτικό μέσο λαμβάνει θερμότητα από τον αέρα και εξατμίζεται. Αυτό γίνεται στον εξωτερικό εναλλάκτη της αντλίας. Στην συνέχεια οδηγείται σε ένα συμπιεστή όπου αυξάνεται η πίεση άρα και η θερμοκρασία του βάσει των στοιχειωδών αρχών της θερμοδυναμικής. Ακολούθως οδηγείται σε ένα εσωτερικό εναλλάκτη ο οποίος θερμαίνει τον χώρο. Αυτό μπορεί να γίνει είτε άμεσα διαμέσου θέρμανσης του αέρα (σπανιότατο για αντλίες) είτε έμμεσα διαμέσου θέρμανσης του νερού το οποίο ακολούθως θα θερμάνει τον χώρο είτε με συμβατικά σώματα ακτινοβολίας είτε με fan coils είτε με ενδοδαπέδια θέρμανση. Το ψυκτικό μέσο με την σειρά του χάνει θερμοκρασία στον εναλλάκτη με αποτέλεσμα να υγροποιείται. Στην συνέχει οδηγείται σε μια εκτονωτική βαλβίδα όπου και η πίεση του ψυκτικού υγρού πέφτει στα αρχικά της επίπεδα για να επαναληφθεί ξανά ο κύκλος. [13] Η περιγραφή του θερμικού κύκλου δείχνει την ομοιότητα με τον κύκλο λειτουργίας της κλιματιστικής μονάδας που έχει περιγραφτεί στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ακόμη μεγαλύτερη είναι η ομοιότητα του ψυκτικού κύκλου της αντλίας θερμότητας που παρουσιάζεται στο δεύτερο 27
σχήμα (Σχήμα 10), με τον κύκλο λειτουργίας της κλιματιστικής μονάδας. Με μια απλή μόνο παρατήρηση φαίνεται ότι οι δύο κύκλοι είναι ίδιοι. Και όντως έτσι είναι, οι αντλίες θερμότητας, στην λειτουργία ψύξης έχουν την ίδια συμπεριφορά με τις κλιματιστικές μονάδες. Το μόνο που διαφοροποιείται συνήθως είναι το μέσω μεταφοράς της θερμότητας που στις αντλίες θερμότητας συνήθως είναι το ρευστό ενώ στις κλιματιστικές μονάδες είναι ο αέρας. Ειδικότερα, στην λειτουργία ψύξης, το ψυκτικό υγρό ατμοποιείται και πάλι λαμβάνοντας όμως θερμοκρασία αυτή την φορά από τον εσωτερικό χώρο, διαμέσου του ρευστού στο οποίο γίνεται η μετάδοση της θερμότητας. Αυτό λαμβάνει χώρο στον εσωτερικό εναλλάκτη της αντλίας. Το εξατμισμένο πλέον ψυκτικό υγρό οδηγείται στον συμπιεστή όπου αυξάνεται η πίεση και η θερμοκρασία του έτσι ώστε να μπορεί μετά να αποδώσει αυτή την θερμοκρασία στο περιβάλλον. Το εργαζόμενο μέσω, υψηλό σε ενεργειακό περιεχόμενο πλέον οδηγείται στον εξωτερικό εναλλάκτη όπου αποδίδει την ενέργεια στο περιβάλλον. Ο ανεμιστήρας που υπάρχει στο εξωτερικό τμήμα της αντλίας υποβοηθά την μετάδοση της θερμότητας από το εργαζόμενο μέσο στο περιβάλλον. Ταυτόχρονα, στον εξωτερικό εναλλάκτη, αφού μειώνεται η θερμοκρασία του εργαζόμενου μέσου γίνεται και η υγροποίησή του. Ακολούθως, το εργαζόμενο μέσο οδηγείται σε μια εκτονωτική βαλβίδα όπου η πίεσή του πλέον μειώνεται, επιστρέφει στην αρχική της τιμή και το μέσο οδηγείται στον εσωτερικό εναλλάκτη έτσι ώστε να επαναληφθεί ο κύκλος.[13] Low/ High -Pressure: Χαμηλή /Υψηλή Πίεση Compressor: Συμπιεστής Reversing Valve : Αντίστροφη βαλβίδα Low/High -Temperature Vapour: Χαμηλή/Υψηλή θερμοκρασία ατμού Fan: Ανεμιστήρας Expansion device : Βαλβίδα εκτόνωσης Σχήμα 9: Αντλία θερμότητας (με πηγή θερμότητας τον αέρα) σε λειτουργία θέρμανσης Πηγή: [23] 28
Low/ High -Pressure: Χαμηλή /Υψηλή Πίεση Compressor: Συμπιεστής Reversing Valve : Αντίστροφη βαλβίδα Low/High -Temperature Vapour: Χαμηλή/Υψηλή θερμοκρασία ατμού Fan: Ανεμιστήρας Expansion device : Βαλβίδα εκτόνωσης Σχήμα 10: Αντλία θερμότητας (με πηγή θερμότητας τον αέρα) σε λειτουργία ψύξης Πηγή: [23] Η διαφορά του θερμικού με τον ψυκτικό κύκλο που εκτελεί μια αντλία θερμότητας έγκειται στην φορά και μόνο του εργαζόμενου μέσου εντός του κύκλου. Επί της ουσίας όλα τα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται είναι ακριβώς τα ίδια αυτό που αλλάζει είναι η αντιστροφή στην κίνηση του εργαζόμενου μέσου. Η αντιστροφή αυτή επιτυγχάνεται με την χρήση ενός μηχανολογικού εξαρτήματος που φέρει την ονομασία τετράοδος βαλβίδα αντιστροφής. 3.3 Βαθμοί απόδοσης COP - EER Η αντλία θερμότητας εξαρτάται ως μηχάνημα από τον βαθμό απόδοσής της ο οποίος εκφράζει τα ποιοτικά στοιχεία της αντλίας. Μια ποιοτική αντλία έχει υψηλό βαθμό απόδοσης. Ο βαθμός απόδοσης της αντλίας δίδεται από τον συντελεστή λειτουργίας (Coefficient of Performance COP) της θερμικής μηχανής και εν προκειμένω από την παρακάτω σχέση [14]: (3.1) 29
Όπου: Q H : Το ποσό θερμότητας που προσδίδεται στον υπό θέρμανση χώρο. Q L : Το ποσό θερμότητας που λαμβάνεται από την πηγή ενέργειας, εν προκειμένω από το περιβάλλον. W in : Το έργο που δαπανάται για την λειτουργία της αντλίας. Η παραπάνω σχέση μπορεί να γραφτεί και με την χρήση των θερμοκρασιών των δύο χώρων χωρίς να αλλάξει μορφή σύμφωνα με τον κύκλο Carnot. Έτσι μπορεί να μετατραπεί στην παρακάτω σχέση: COP T T T 1 1 T H (3.2) HP Carnot H L L H T Όπου: Τ H : Η επιθυμητή θερμοκρασία του θερμαινόμενου χώρου (η υψηλότερη θερμοκρασία του θερμικού θερμοδυναμικού κύκλου). Τ L : Η θερμοκρασία της πηγής ενέργειας, εν προκειμένω από το περιβάλλον (η χαμηλότερη θερμοκρασία του θερμικού θερμοδυναμικού κύκλου). Στις αντλίες θερμότητας οι βαθμοί απόδοσης είναι μεγαλύτεροι της μονάδας καθώς είναι προφανές από την τελευταία σχέση ότι η θερμοκρασία T H είναι μεγαλύτερη από την διαφορά θερμοκρασιών T H T L. Στην πράξη οι συντελεστές απόδοσης των αντλιών κυμαίνονται σε τιμές μεταξύ του 2 και του 3,5. Στην χειρότερη δυνατή περίπτωση πολύ χαμηλών θερμοκρασιών του εξωτερικού χώρου η αντλία θα λειτουργεί με ένα συντελεστή απόδοσης ίσο με την μονάδα άρα θα λειτουργεί ως ηλεκτρική αντίσταση.[14] Ο συντελεστής απόδοσης που δόθηκε από την παραπάνω σχέση ισχύει για τον θερμικό θερμοδυναμικό κύκλο. Για τον ψυκτικό θερμοδυναμικό κύκλο που χρησιμοποιούν οι αντλίες θερμότητας όταν λειτουργούν ως ψυκτικές μηχανές ισχύει παρόμοια σχέση με αλλαγή μόνο στις θέσεις των θερμών και των ψυχρών μεγεθών. Οι σχέσεις αυτές είναι οι ακόλουθες [14]: (3.3) TL 1 COP R Carnot (3.4) TH TL TH TL 1 30
Η διαφοροποίηση στους δείκτες των δύο συντελεστών απόδοσης γίνεται αναλόγως του κύκλου που χρησιμοποιείται. Για τον θερμικό κύκλο μπαίνει ο δείκτης HP (Heat Pump) και για τον ψυκτικό κύκλο χρησιμοποιείται ο δείκτης R (Refrigerator). Οι δύο δείκτες σχετίζονται μεταξύ τους με την εξίσωση που καταγράφεται στο τέλος της παραγράφου έτσι εάν είναι γνωστός ο ένας είναι γνωστός και ο άλλος. Συνήθως, στις αντλίες θερμότητας οι κατασκευαστές δίδουν τον συντελεστή απόδοσης στον θερμικό κύκλο έτσι μπορεί να εξαχθεί εύκολα και ο συντελεστής απόδοσης στον ψυκτικό κύκλο εάν η αντλία μπορεί να λειτουργεί και ως ψυκτική μηχανή. [14] (3.5) Στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, ο συντελεστής απόδοσης για τον ψυκτικό κύκλο δεν χρησιμοποιείται τόσο πολύ για να μην δημιουργείται σύγχυση σε σχέση με τον συντελεστή απόδοσης του μηχανήματος στον θερμικό κύκλο. Αντί αυτού χρησιμοποιείται η εκτίμηση ενεργειακής αποτελεσματικότητας (Energy Efficiency Ratio EER). Αυτή ορίζεται ως το ποσό θερμότητας που απάγεται από τον ψυχόμενο χώρο σε μονάδες ισχύος BTU για κάθε Wh ηλεκτρικής κατανάλωσης. Με δεδομένο ότι 1kWh ισούται με 3412 BTU τότε μια μονάδα η οποία για αφαιρεί από τον χώρο ψύξης 1kWh θερμότητας καταναλώνοντας 1kWh ηλεκτρισμού (δηλαδή έχει COP R =1) έχει εκτίμηση ενεργειακής αποτελεσματικότητας ίση με 3,412. Με αυτό τον τρόπο προκύπτει και η επόμενη εξίσωση που συσχετίζει την εκτίμηση ενεργειακής αποτελεσματικότητας με τον συντελεστή απόδοσης μιας μονάδας που λειτουργεί με βάση τον ψυκτικό θερμοδυναμικό κύκλο. [14] (3.6) 3.4 Κατηγοριοποίηση αντλιών θερμότητας Οι αντλίες θερμότητας, αναλόγως της εφαρμογής τους, μπορούν να ενταχθούν σε διάφορες κατηγορίες με συγκεκριμένα κριτήρια κατηγοριοποίησης. Έτσι με κριτήριο κατηγοριοποίησης το μέσο από το οποίο αντλείται η θερμότητα και το μέσο στο οποίο αποβάλλεται δημιουργούνται οι παρακάτω κατηγορίες: 31
Αντλία θερμότητας αέρα αέρα. Αντλία θερμότητας αέρος νερού. Αντλία θερμότητας νερού νερού. Αντλία θερμότητας νερού αέρος. Οι αντλίες θερμότητας αέρος αέρος είναι οι κλιματιστικές μονάδες που έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν και για θέρμανση χώρου. Οι αντλίες θερμότητας αέρος νερού είναι οι πιο συνηθισμένες μονάδες που αντλούν από τον αέρα θερμότητα ώστε να την αποδώσουν σε νερό το οποίο με την σειρά του οδηγείται σε κεντρικό σύστημα θέρμανσης. Οι αντλίες θερμότητας νερού νερού είναι οι γεωθερμικές αντλίες που χρησιμοποιούνται για να λάβουν θερμότητα από το έδαφος και να την μεταφέρουν σε νερό που οδηγείται στο σύστημα κεντρικής θέρμανσης. Τέλος, οι αντλίες θερμότητας νερού αέρος είναι επίσης γεωθερμικές αντλίες που θερμαίνουν αέρα αλλά η χρήση τους είναι σπανιότατη. [23] Με κριτήριο τον τύπο της μηχανής που χρησιμοποιούν ώστε να λαμβάνουν κίνηση οι αντλίες θερμότητας μπορούν να διαχωριστούν στις επόμενες κατηγορίες: Αντλίες θερμότητας με συμπιεστές ηλεκτρικού ρεύματος. Αντλίες θερμότητας με συμπιεστές κινούμενους από μηχανές εσωτερικής καύσης. Αντλίες θερμότητας όπου η αύξηση της θερμοκρασίας δεν γίνεται με συμπιεστή αλλά με τρίτη πηγή ενέργειας και εναλλάκτη. Από τις παραπάνω κατηγορίες οι περισσότερες αντλίες ανήκουν στην πρώτη κατηγορία και χρησιμοποιούν ηλεκτροκίνητο συμπιεστή ώστε να αυξήσουν την πίεση άρα και την θερμοκρασία του εξατμισμένου ψυκτικού μέσου. Οι άλλες δύο περιπτώσεις βρίσκουν πολύ σπάνιες εφαρμογές. Επόμενο κριτήριο είναι η διάταξη της αντλίας θερμότητας και συγκεκριμένα η θέση μεταξύ των διάφορων μηχανισμών που φέρει. Βάσει αυτού του κριτηρίου διακρίνουμε δύο κατηγορίες αντλιών θερμότητας, τις ακόλουθες: Ενιαίες ή αυτόνομες (monoblock) αντλίες θερμότητας όπου περιέχουν όλους τους απαιτούμενους μηχανισμούς σε ένα κέλυφος. Σε αυτή την περίπτωση όλα τα εξαρτήματα της αντλίας βρίσκονται εκτός του κτιρίου. Αντλίες θερμότητας διαιρούμενους τύπου (split unit) στις οποίες συμπιεστής και εξατμιστής βρίσκονται σε διαφορετικά κελύφη, ο ένας εντός και ο άλλος εκτός του κτιρίου. 32
Στην πράξη και οι δύο κατηγορίες αντλίων χρησιμοποιούνται ευρέως με τις αντλίες ενιαίου τύπου να επικρατούν κυρίως στις αντλίες μικρής ισχύος και τις διαιρούμενου τύπου να κατέχουν τα πρωτεία (σχεδόν την αποκλειστικότητα) σε αντλίες υψηλής ισχύος. 3.5 Παράγοντες που καθορίζουν την απόδοσή των αντλιών θερμότητας Οι αντλίες θερμότητας είναι εξαιρετικά μηχανήματα τα οποία δίδουν την δυνατότητα θέρμανσης και ψύξης κτιρίων με μικρά κόστη καυσίμου. Εντούτοις παρουσιάζουν κάποια μειονεκτήματα και ένα από αυτά είναι η μείωση της απόδοσής τους που οφείλεται σε δύο παράγοντες. Ο πρώτος παράγοντας είναι η εξωτερική θερμοκρασία και ο δεύτερος παράγοντας είναι η ελεύθερη κυκλοφορία του αέρα. Η εξωτερική θερμοκρασία είναι ζωτικός παράγοντας για την ορθή λειτουργία της αντλίας θερμότητας καθώς από αυτή την πηγή αντλείται θερμότητα για να μεταφερθεί στον υπό θέρμανση χώρο. Για τα συνήθη ψυκτικά υγρά που χρησιμοποιούνται στις αντλίες θερμότητας η λειτουργία τους δυσχεραίνεται όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 5 ο C και εκμηδενίζεται όταν πέσει κάτω από τους 0 o C. Πρακτικά αυτό συνεπάγεται ότι η αντλία δεν μπορεί να λειτουργήσει τις στιγμές που απαιτείται περισσότερο από κάθε άλλη φορά θέρμανση. Αυτό το πρόβλημα λύνεται είτε με χρήση εσωτερικής αντιστάσεως για θέρμανση του μέσου σε αυτές τις περιπτώσεις είτε με την τεχνολογία EVI όπου μεταφέρεται εξατμισμένο ψυκτικό υψηλών θερμοκρασιών από τον συμπιεστή ώστε να υποβοηθηθεί η λειτουργία του εξατμιστή. Πρόβλημα εμφανίζεται και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πάνω από 50 o C όπου και πάλι απενεργοποιείται η αντλία καθώς δεν μπορεί να εφαρμοστεί ο ψυκτικός κύκλος. Το πρόβλημα αυτό παρουσιάζεται και στις κλιματιστικές μονάδες όπως καταγράφηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο. [1] Το δεύτερο πρόβλημα αφορά την μη ορθή κυκλοφορία του αέρα. Εάν η αντλία δεν έχει την δυνατότητα να «αναπνέει» ελεύθερα τότε ο εξατμιστής πρακτικά δεν μπορεί να λειτουργήσει καθώς δεν γίνεται ορθή εναλλαγή θερμότητας από τον εναλλάκτη βάσει των προδιαγραφών που έχει σχεδιαστεί. Αυτό συνεπάγεται πολλές φορές να μειώνεται η θερμοκρασία στον εξατμιστή κάτω από τους 0 o C με αποτέλεσμα τον σχηματισμό πάγου και τον κίνδυνο σοβαρής ζημιάς. Ταυτόχρονα παύει και η λειτουργία της μονάδας καθώς μπαίνει σε μια διαδικασία defrost ώστε να προστατευθεί από μηχανική βλάβη. Έτσι ενώ ο χρήστης πληρώνει ρεύμα για να 33