Εκτύπωση  Αποστολή
ΜΗΝΙΑΙΟ ΤΕΧΝΙΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ      
ΤΕΥΧΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ
Κυκλοφορεί
ΤΕΥΧΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ
  Αρχείο περιοδικών
 
 
 Αρχική Σελίδα
 Επικαιρότητα
 Πρόσωπα
Τεχνικά Θέματα
 Συνδικαλιστικά
 Ιστορικά
 Ατζέντα
 Θέσεις
 Ταυτότητα
 Χρήσιμα links
 Επικοινωνία
   
Γίνε συνδρομητής!  
 

στο διαδίκτυο
στο site
 
 
 
Αντλίες θερμότητας
Των κ. Ιωάννη Θ. Αραβανή*, Θεοφάνη Ι. Αραβανή**, Τρύφωνα - Χρυσοβαλάντη Ι. Αραβανή***
 



Η αντλία θερμότητας είναι η συσκευή η οποία μεταφέρει θερμότητα από ένα μέσο χαμηλής θερμοκρασίας προς ένα μέσο υψηλής θερμοκρασίας (βλ. σχήμα 1). Είναι γνωστό από την πράξη ότι η θερμότητα ρέει στη κατεύθυνση ελάττωσης της θερμοκρασίας, δηλαδή από ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία προς ένα άλλο που βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία.

Η μεταφορά θερμότητας στη φύση πραγματοποιείται χωρίς να απαιτείται κάποια ειδική διάταξη. Η αντίστροφη διεργασία, όμως, δεν είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί από μόνη της, παρά μόνο με διατάξεις όπως είναι οι αντλίες θερμότητας, οι οποίες και απαιτούν μηχανικό έργο (καταναλώνουν δηλαδή ενέργεια, ηλεκτρική ή θερμική) για τη διαδικασία αυτή.

Η αντλία θερμότητας χρησιμοποιείται για να διατηρεί έναν θερμαινόμενο χώρο σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτό πετυχαίνεται με την απορρόφηση θερμότητας από μια πηγή χαμηλής θερμοκρασίας (όπως είναι το νερό ενός ποταμού ή ο ψυχρός αέρας του χειμώνα) και τη μεταφορά της σε ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία (όπως είναι, για παράδειγμα, το εσωτερικό ενός σπιτιού.

Σημειώνεται εδώ ότι τα συνήθη ψυγεία επιτελούν την ίδια ακριβώς διεργασία και διαφέρουν μόνο ως προς το σκοπό χρήσης τους. Ένα συνηθισμένο ψυγείο, λοιπόν, «αντλεί» θερμότητα από το χώρο ψύξης (τον εσωτερικό χώρο του ψυγείου) και την αποβάλλει προς τον αέρα του δωματίου στο οποίο είναι τοποθετημένο. Με τη συνεχή απορρόφηση θερμότητας από το εσωτερικό του ψυγείου, ο χώρος αυτός διατηρείται σε χαμηλή θερμοκρασία.

Σημειώνεται εδώ ότι η απόρριψη θερμότητας από το ψυγείο προς ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία (αέρας δωματίου) είναι απλά ένα απαραίτητο στάδιο της διεργασίας και όχι ο σκοπός της.

Εάν ένα συνηθισμένο ψυγείο τοποθετηθεί στο παράθυρο ενός σπιτιού με την πόρτα του ανοιχτή προς το εξωτερικό του σπιτιού, τότε θα λειτουργήσει σαν αντλία θερμότητας: Θα προσπαθήσει να ψύξει τον εξωτερικό αέρα αντλώντας θερμότητα από αυτόν και αποβάλλοντας τη θερμότητας αυτή στο εσωτερικό του σπιτιού διά μέσου των σπειρών που βρίσκονται στο πίσω μέρος του (βλ. σχήμα 2).

Η αποτελεσματικότητα μιας αντλίας θερμότητας εκφράζεται με το συντελεστή λειτουργίας (Coefficient of Performance), ο οποίος συμβολίζεται με COP και ορίζεται ως εξής:

〖COP 〗_HP=(επιθυμητό αποτέλεσμα)/(απαιτούμενη είσοδος)=Q_H/W_(net,in)

Σημειώνεται ότι η τιμή του συντελεστή COP μπορεί να είναι μεγαλύτερη της μονάδας. Δηλαδή, το ποσό θερμότητας που αφαιρείται από το χώρο ψύξης (εξωτερικό περιβάλλον) μπορεί να είναι μεγαλύτερο από το έργο εισόδου και συνεπώς μεγαλύτερο της καταναλισκόμενης (ηλεκτρικής) ενέργειας, την οποία και ο καταναλωτής πληρώνει (βλ. σχήμα 3).

Αυτό βρίσκεται σε αντίθεση με το συντελεστή θερμικής λειτουργίας, για παράδειγμα με το βαθμό απόδοσης ενός ηλεκτρικού θερμαντικού σώματος, η τιμή του οποίου δεν μπορεί να ξεπεράσει τη μονάδα.

Το γεγονός ότι η τιμή του συντελεστή λειτουργίας COP μπορεί να υπερβεί τη μονάδα βεβαίως και δεν αναιρεί το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα της αρχής διατήρησης της ενέργειας, αφού η αντλία θερμότητας δεν δημιουργεί ενέργεια. Απλά μεταφέρει την ενέργεια από κάποιο μέσο (π.χ. από το ψυχρό εξωτερικό περιβάλλον) σε κάποιο άλλο (π.χ. στο θερμό εσωτερικό χώρο ενός σπιτιού). Ο βαθμός αποτελεσματικότητας της μεταφοράς αυτής της ενέργειας αντικατοπτρίζεται από το συντελεστή λειτουργίας.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του κλιματιζόμενου και του εξωτερικού χώρου, τόσο ο συντελεστής COP μειώνεται, ενώ για την ίδια αυτή θερμοκρασιακή διαφορά, ο COP βελτιώνεται όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του κλιματιζόμενου χώρου (χώρος υψηλής θερμοκρασίας).

Οι αερόψυκτες αντλίες θερμότητας, οι οποίες αντλούν θερμότητα από τον αέρα του περιβάλλοντος, έχουν συντελεστή λειτουργίας COP που κυμαίνεται από 2 έως 4. Οι υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας (αντλούν θερμότητα από κάποια πηγή νερού) έχουν συντελεστή απόδοσης COP που κυμαίνεται μεταξύ 3 και 5.

Τα συστήματα κλιματισμού είναι στην ουσία ψυγεία των οποίων ο χώρος ψύξης είναι ένα δωμάτιο ή ένα κτίριο, αντί του χώρου αποθήκευσης τροφίμων ενός κοινού ψυγείου.

Ένα κλιματιστικό παράθυρο ψύχει το δωμάτιο απορροφώντας θερμότητα από αυτό και αποβάλλοντάς την προς τον εξωτερικό χώρο. Η ίδια μονάδα το χειμώνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν αντλία θερμότητας, εάν εγκατασταθεί ανάποδα. Στην περίπτωση αυτή, το κλιματιστικό θα αντλεί θερμότητα από το εξωτερικό του σπιτιού και θα τη διοχετεύει στο εσωτερικό.

Τα κλιματιστικά που φέρουν κατάλληλη διάταξη ελέγχου και βαλβίδα που μπορεί να αντιστρέφεται, λειτουργούν σαν συστήματα ψύξης το καλοκαίρι και σαν συστήματα θέρμανσης τον χειμώνα.

Τα δομικά στοιχεία μιας αντλίας θερμότητας είναι τα εξής:

1) Το τμήμα συμπιεστή - συμπυκνωτή, που απορροφά ή απορρίπτει θερμότητα από ή στο περιβάλλον.

2) Το τμήμα ανεμιστήρα - ατμοποιητή, που απορροφά ή προσθέτει θερμότητα από ή στον εσωτερικό χώρο.

3) Ο μηχανισμός αντιστροφής, ο οποίος αποτελείται από μία τετράοδη βαλβίδα, που αναστρέφει τη ροή του ψυκτικού μέσου έτσι ώστε να έχουμε ψύξη ή θέρμανση, ανάλογα με τον επιθυμητό τρόπο λειτουργίας.

4) Οι αυτοματισμοί για τον έλεγχο και τη λειτουργία του συστήματος θέρμανσης ή ψύξης.

5) Η συμπληρωματική ηλεκτρική αντίσταση, που ενεργοποιείται όταν η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα είναι πολύ χαμηλή και ο συντελεστής λειτουργίας COP γίνεται μικρότερος της μονάδας.

Η κατηγοριοποίηση των αντλιών θερμότητας μπορεί να γίνει με βάση:

* Το μέσο από όπου αντλείται και το μέσο όπου αποβάλλεται η θερμότητα. Άρα διακρίνονται στις εξής κατηγορίες:

Αέρα - Αέρα (Α - Α).

Αέρα - Νερού (Α - Ν).

Νερού - Νερού (Ν - Ν).

Νερού - Αέρα (Ν - Α).

Εδάφους - Αέρα (Ε - Α).

Εδάφους - Νερού (Ε - Ν).

* Το είδος της κινητήριας μηχανής, οπότε υπάρχουν:

Ηλεκτροκίνητοι συμπιεστές.

Συμπιεστές κινούμενοι από μηχανές εσωτερικής καύσης (με πετρέλαιο, ατμό, αέριο κλπ.).

Συμπιεστές απορρόφησης και προσρόφησης (θερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας.

* Τη θέση των διαφόρων μηχανισμών τους, οπότε υπάρχουν αντλίες θερμότητας:

Ενιαίες ή αυτόνομες (Compact). Όλοι οι μηχανισμοί βρίσκονται σε κοινό κέλυφος.

Διαιρούμενες ή διμερούς τύπου (Split units). Ο ατμοπαραγωγός (ή ο συμπυκνωτής) είναι ανεξάρτητος του υπολοίπου συστήματος.

* Τον τρόπο αναστροφής της λειτουργίας τους, οπότε υπάρχουν αντλίες θερμότητας:

Σταθερού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η ροή του ψυκτικού μέσου διατηρείται σταθερή και αλλάζει η θέση των μέσων προσαγωγής ή απαγωγής της θερμότητας.

Μεταβλητού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η αναστροφή της ροής του ψυκτικού μέσου γίνεται με χρήση της τετράοδης βαλβίδας.

Ακολούθως, παρατίθεται μία αντιπροσωπευτική εφαρμογή, η οποία θα αναδείξει το οικονομικό πλεονέκτημα μιας αντλίας θερμότητας, έναντι ενός ηλεκτρικού θερμαντικού σώματος όπως είναι το αερόθερμο, το ηλεκτρικό καλοριφέρ, η θερμάστρα υπερύθρων κλπ.

Για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων ενός σπιτιού στους 20oC χρησιμοποιείται μία αντλία θερμότητας. Μία μέρα που η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα έχει πέσει στους -2oC, οι θερμικές απώλειες του σπιτιού υπολογίζονται ότι είναι 22kW.

Προφανώς, τις θερμικές αυτές απώλειες καλείται να καλύψει η συσκευή θέρμανσης (στην περίπτωσή μας η αντλία θερμότητας), προκειμένου να διατηρηθεί το σπίτι σε μία σταθερή θερμοκρασία.

Θεωρώντας ότι η συγκεκριμένη αντλία έχει COP ίσο με 2,5, υπολογίζουμε τα ακόλουθα:

Η (ηλεκτρική) ισχύς που καταναλώνεται από την αντλία θερμότητας υπολογίζεται από τον ορισμό του συντελεστή λειτουργίας:

W_(net,in)=Q_H/COP=(22 kW)/2,5=8,8 kW

Το σπίτι χάνει θερμότητα με ρυθμό 22 kW. Εάν η θερμοκρασία του σπιτιού πρέπει να διατηρηθεί σταθερή στους 20oC, τότε η αντλία θερμότητας πρέπει να παρέχει στο σπίτι θερμότητα με τον ίδιο ρυθμό, δηλαδή 22kW. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από τον εξωτερικό αέρα υπολογίζεται από την εφαρμογή της αρχής διατήρησης της ενέργειας στην κυκλική διάταξη:

Q_L=Q_H- W_(net,in)=(22 - 8,8) kW =13kW

Αυτό σημαίνει ότι από το ποσό των 22 kW θερμικής ισχύος που παρέχονται στο σπίτι, μόνο τα 48.000 kJ/h προέρχονται από τον εξωτερικό αέρα.

Συνεπώς, από τα 22kW κοστίζουν μόνο τα 8,8kW, τα οποία παρέχονται από την αντλία θερμότητας με τη μορφή ηλεκτρικού έργου στον συμπιεστή. Εάν αντί για αντλία θερμότητας χρησιμοποιούνταν μία θερμάστρα ηλεκτρικής αντίστασης, τότε ολόκληρο το ποσό των 22 kW θα έπρεπε να παρασχεθεί στην αντίσταση με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας.

Αυτό συμβαίνει γιατί στην ηλεκτρική αντίσταση η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα με λόγο ένα προς ένα. Αυτό θα σήμαινε ότι το ποσό που θα ξοδευόταν για θέρμανση θα ήταν 2,5 φορές υψηλότερο, όσο δηλαδή και ο συντελεστής λειτουργίας COP.

Η εγκατάσταση αντλίας θερμότητας είναι οικονομική όταν υπάρχουν:

* Ευνοϊκά τιμολόγια ρεύματος.

* Υψηλό κόστος καυσίμου για λέβητες - καυστήρες.

* Υψηλός ετήσιος αριθμός ωρών λειτουργίας.

* Ανάγκη θέρμανσης το χειμώνα και ψύξης το καλοκαίρι.

Σχήμα 1: Αντλία θερμότητας.

Σχήμα 2: Ένα κλιματιστικό λειτουργεί σαν αντλία θερμότητας.

Σχήμα 3: Εξοικονόμηση ενέργειας μέσω της αντλίας θερμότητας.

*Ο κ. Ιωάννης Θ. Αραβανής είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός, καθηγητής Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης.

** Ο κ. Θεοφάνης Ι. Αραβανής είναι διπλωματούχος ηλεκτρολόγος μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών, M.Sc. Ε.Μ.Π., M.B.A., υποψήφιος Ph.D. Πανεπιστήμιου Πατρών.

*** Ο κ. Τρύφωνας-Χρυσοβαλάντης Ι. Αραβανής είναι διπλωματούχος μηχανολόγος και αεροναυπηγός μηχανικός, υποψήφιος Ph.D. Πανεπιστήμιου Πατρών.
 
 Τεχνικά Θέματα
Εξοικονόμηση στη θέρμανση μέσω αντλιών θερμότητας
ΣΕΒΕ Συνάντηση με τον Γενικό Γραμματέα Έρευνας και Τεχνολογίας στη Θεσσαλονίκη
Ecofer Κ.Ζ. Οικονόμου: Ιονιστές- καθαριστές αέρα
Μονοθερμ Δ. ΚΡΕΣΤΑ – Β. ΚΡΕΣΤΑΣ Ο.Ε.
Υβριδικός αερισμός
Αντλίες Θερμότητας Η σύγχρονη συμφέρουσα πρόταση
Θέρμανση... χωρίς πετρέλαιο!
Αλλαγές στην αξιολόγηση Κλιματιστικών και Ανεμιστήρων Δροσισμού
Αυτοματισμός: Εξελιγμένες λύσεις κατανομής δαπανών
Πρότυπα ΕΛΟΤ και Σήματα Συμμόρφωσης
ΘΕΡΜΑΝΣΗ: Επιτοίχιος λέβητας αερίου συμπύκνωσης
© ΤΕΧΝΟΕΚΔΟΤΙΚΗ  | Όροι χρήσης  | Πληροφορίες