Οι αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν ως εργαζόμενο μέσο διοξείδιο του άνθρακα υπερτερούν έναντι των συμβατικών αντλιών με εργαζόμενα μέσα τα ψυκτικά ρευστά R600, R290, R1270 και R1234yf.
Γράφει η κ. Α. Κιτσοπούλου και ο κ. Ε. Μπέλλος*
Τα συστήματα αντλιών θερμότητας με εργαζόμενο μέσο διοξείδιο του άνθρακα (CO2 ή R744) συνιστούν μια ιδιαίτερα ελκυστική και βιώσιμη επιλογή για τον εξηλεκτρισμό της θέρμανσης κτιρίων και της παραγωγής ζεστού νερού χρήσης, καθώς ανταποκρίνονται στις ολοένα αυστηρότερες περιβαλλοντικές απαιτήσεις. Ταυτόχρονα, εξασφαλίζουν υψηλές τεχνικές επιδόσεις και ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας.
Το R744 αποτελεί φυσικό, οικονομικό και χημικά σταθερό εργαζόμενο μέσο, το οποίο, σε αντίθεση με την αμμωνία και το διοξείδιο του θείου, είναι μη τοξικό και μη εύφλεκτο. Επιπλέον, εμφανίζει ιδιαίτερα ανταγωνιστικά χαρακτηριστικά έναντι των συνθετικών εργαζόμενων μέσων, τα οποία συνδέονται συχνά με σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ χαρακτηρίζεται από μηδενικό δυναμικό καταστροφής του όζοντος (Ozone Depletion Potential [ODP]) και από δυναμικό συμβολής στο φαινόμενο του θερμοκηπίου (Global Warming Potential [GWP]) ίσο με 1.
Οι αντλίες θερμότητας CO2 λειτουργούν συνήθως με διακρίσιμο κύκλο προκειμένου να επιτυγχάνονται μεγάλες θερμοκρασιακές ανυψώσεις. Οι διακρίσιμοι κύκλοι CO2 παρουσιάζουν ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που τους διαφοροποιούν από τους συμβατικούς υποκρίσιμους κύκλους .
Πρώτον, επιτρέπουν την απόρριψη θερμότητας μέσω μονοφασικής ψύξης αερίου με σημαντική ολίσθηση θερμοκρασίας, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένη ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση (δείκτης από τη θερμοδυναμική που υποδεικνύει πόσο αποτελεσματικά ένα σύστημα αξιοποιεί την διαθέσιμη ενέργεια [εξέργεια είναι το μέγιστο έργο που μπορεί να δώσει ένα σύστημα μέχρι να έλθει σε ισορροπία με το περιβάλλον]) σε σύγκριση με τη διαδικασία υποκρίσιμης συμπύκνωσης. Ειδικότερα, οι υποκρίσιμοι κύκλοι αντλιών θερμότητας CO2 λειτουργούν συνήθως σε επίπεδα πίεσης 60 με 70 bar, ενώ οι διακρίσιμοι κύκλοι στην περιοχή 80 με 110 bar.
Δεύτερον, οι διακρίσιμοι κύκλοι χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη βέλτιστου επιπέδου υψηλής πίεσης. Καθώς στην υπερκρίσιμη περιοχή η θερμοκρασία και η πίεση αποτελούν ανεξάρτητες θερμοδυναμικές παραμέτρους, η υψηλή πίεση μπορεί να ρυθμιστεί κατάλληλα, για δεδομένη θερμοκρασία εξόδου από τον ψύκτη αερίου (gas cooler), ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος συντελεστής απόδοσης.
Τέλος, σε έναν διακρίσιμο κύκλο η επίδραση της θερμοκρασίας εξάτμισης τόσο στη θερμική ισχύ όσο και στην ενεργειακή απόδοση είναι ηπιότερη σε σύγκριση με ό,τι ισχύει στους συμβατικούς υποκρίσιμους κύκλους. Το χαρακτηριστικό αυτό αναδεικνύει την αυξημένη θερμική προσαρμοστικότητα των διακρίσιμων αντλιών θερμότητας CO2, οι οποίες διατηρούν σταθερότερη θερμική απόδοση υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες.
Ο βασικός διακρίσιμος κύκλος εμφανίζει περιορισμένη ενεργειακή απόδοση, λόγω των σημαντικών μη αντιστρεπτοτήτων της στραγγαλιστικής εκτόνωσης που προκαλούνται από το υψηλό θερμοκρασιακό επίπεδο στην έξοδο του ψύκτη αερίου. Η ενσωμάτωση εσωτερικού εναλλάκτη θερμότητας ή αναγεννητή αποτελεί συνήθη πρακτική για την επίτευξη υπόψυξης στην έξοδο του ψύκτη αερίου και υπερθέρμανσης του ψυκτικού μέσου στην αναρρόφηση του συμπιεστή.
Εναλλακτική διάταξη περιλαμβάνει μια διακρίσιμη αντλία θερμότητας CO2, εξοπλισμένη με τριμερή ψύκτη αερίου και εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας. Η διάταξη αυτή περιλαμβάνει δύο κυκλώματα νερού και επιτρέπει την ταυτόχρονη κάλυψη φορτίων θέρμανσης χώρου και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται χαμηλή θερμοκρασία νερού επιστροφής, ευνοώντας την ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση του διακρίσιμου συστήματος αντλίας θερμότητας CO2.
Η ενσωμάτωση εκτονωτή στην έξοδο του ψύκτη αερίου αποτελεί εναλλακτική λύση έναντι της εκτονωτικής βαλβίδας, με στόχο τη μείωση του απαιτούμενου έργου συμπίεσης και την αύξηση του συντελεστή απόδοσης του κύκλου. Ωστόσο, εξαιτίας της χαμηλής συνολικής απόδοσης του εκτονωτή και του υψηλού επενδυτικού κόστους του, η επιλογή αυτή δεν συγκαταλέγεται στις πλέον διαδεδομένες λύσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του βασικού διακρίσιμου κύκλου CO2.
Αντίθετα, ο εγχυτήρας (ejector) αποτελεί απλούστερο και οικονομικότερο στοιχείο και χρησιμοποιείται συχνότερα ως αντικατάστατο της στραγγαλιστικής βαλβίδας. Ο εγχυτήρας λειτουργεί ως διάταξη ανάκτησης του έργου εκτόνωσης, αξιοποιώντας την υψηλή εξεργειακή στάθμη του ρευστού στην έξοδο του ψύκτη αερίου, ώστε να αυξήσει το επίπεδο πίεσης στην έξοδο του εξατμιστή και να μειώσει το απαιτούμενο έργο του συμπιεστή. Σημαντικοί περιορισμοί των εγχυτήρων σχετίζονται με το κατασκευαστικό τους μέγεθος και τη γεωμετρική τους πολυπλοκότητα, χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη συνολική απόδοση του συστήματος και τη δυνατότητα επίτευξης βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας.
Σε περιπτώσεις πολύ χαμηλών θερμοκρασιών περιβάλλοντος και, κατά συνέπεια, πολύ χαμηλών θερμοκρασιών εξάτμισης, προτιμώνται αναβαθμισμένες διατάξεις διακρίσιμου κύκλου, όπως είναι η συμπίεση δύο σταδίων και τα συστήματα συμπίεσης καταρράκτη, ιδίως όταν η απαιτούμενη θερμοκρασιακή ανύψωση του νερού είναι μικρή.
Το υπερκρίσιμο CO2 παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές των θερμοφυσικών ιδιοτήτων του σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την πίεση, ιδιαίτερα στην περιοχή της ψευδοκρίσιμης θερμοκρασίας. Αντίθετα, το νερό εμφανίζει σχεδόν σταθερή ειδική θερμοχωρητικότητα. Εξαιτίας του γεγονότος ότι το CO2 και το νερό θερμαίνονται ή ψύχονται με διαφορετικό ρυθμό, το σημείο ελάχιστης θερμοκρασιακής διαφοράς μπορεί να εντοπίζεται στην είσοδο, στην έξοδο ή στο εσωτερικό του ψύκτη αερίου.
Μελέτη περίπτωσης σε πολυκατοικία
Για την αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης του βασικού διακρίσιμου κύκλου CO2, πραγματοποιείται παρακάτω συγκριτική ανάλυση έναντι αναβαθμισμένων διατάξεων, όπως είναι ο εσωτερικός εναλλάκτης θερμότητας, ο εγχυτήρας, η διβάθμια συμπίεση και το σύστημα συμπίεσης καταρράκτη.
Οι διατάξεις αυτές συγκρίνονται τόσο μεταξύ τους όσο και με συμβατικές αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν ως εργαζόμενα μέσα τα R600, R290, R1270 και R1234yf, με εφαρμογή σε σύστημα θέρμανσης τετραώροφης πολυκατοικίας στην Αθήνα, η οποία εξετάζεται ως μελέτη περίπτωσης. Οι υπό εξέταση αντλίες θερμότητας λειτουργούν είτε σε σύζευξη με θερμαντικά σώματα, παρέχοντας νερό θερμοκρασίας 75°C, είτε με τερματικές μονάδες fan coil, παρέχοντας νερό θερμοκρασίας 45°C.
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ενεργειακής προσομοίωσης, η ετήσια απαίτηση θερμότητας για θέρμανση του υπό μελέτη κτιρίου ανέρχεται σε 8.754 kWh. Για τον βασικό διακρίσιμο κύκλο CO2, το COP κυμαίνεται μεταξύ 1,79 για θερμοκρασία περιβάλλοντος ίση με -20°C, 2,54 για τους 0°C και 3,90 για τους 20°C με θερμοκρασία νερού 40/45°C. Παράλληλα, για θερμοκρασία νερού 60/75°C, το COP υπολογίζεται μεταξύ 1,36 για θερμοκρασία περιβάλλοντος -20°C, 1,75 για τους 0°C και 2,26 για 20°C. Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η βελτίωση του συντελεστή απόδοσης για κάθε εξεταζόμενο σύστημα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, σε σύγκριση με τον βασικό διακρίσιμο κύκλο CO2. Για όλες τις υπό μελέτη τεχνολογικές αναβαθμίσεις, δηλαδή τον εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας, τον εγχυτήρα, τη διβάθμια συμπίεση και τη συμπίεση καταρράκτη, η ενεργειακή απόδοση υπολογίζεται υψηλότερη σε σχέση με το βασικό σύστημα σε όλο το εύρος των συνθηκών λειτουργίας. Η βελτίωση του COP είναι εντονότερη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος και εξετάζεται για θερμοκρασίες νερού 40/45°C και 60/75°C.
Ειδικότερα, στην περίπτωση του εσωτερικού εναλλάκτη θερμότητας και του εγχυτήρα, η βελτίωση του COP είναι μεγαλύτερη για τις υψηλότερες θερμοκρασίες νερού (60/75°C), κυμαινόμενη από 6,1% έως 10,6% για τον εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας και από 2,7% έως 28,6% για τον εγχυτήρα. Αντίθετα, για τη διβάθμια συμπίεση και τη συμπίεση καταρράκτη, η αύξηση του COP είναι εντονότερη στις χαμηλότερες θερμοκρασίες νερού (40/45°C), με τις αντίστοιχες βελτιώσεις να κυμαίνονται από 3,0% έως 28,8% και από 40,8% έως 49,3%.
Μεταξύ των εξεταζόμενων διατάξεων, τα συστήματα συμπίεσης καταρράκτη εμφανίζουν την υψηλότερη ενεργειακή απόδοση και τη χαμηλότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, το σύστημα CO2/R600 επιτυγχάνει μείωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης για θέρμανση κατά 29,3% για θερμοκρασίες νερού 40/45°C και κατά 24,8% για θερμοκρασίες 60/75°C.
Δεύτερο σε απόδοση κατατάσσεται το διακρίσιμο σύστημα CO2 με εγχυτήρα, με αντίστοιχες μειώσεις 13,2% και 11,4%. Το σύστημα με εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας καταλαμβάνει την τρίτη θέση για τις συνθήκες 60/75°C, με μείωση 8,0%, ενώ για τις συνθήκες 40/45°C υποχωρεί στην τέταρτη θέση, επιτυγχάνοντας μείωση μόλις 3,2%. Αντίθετα, το σύστημα διβάθμιας συμπίεσης αποδίδει καλύτερα στις χαμηλότερες θερμοκρασίες νερού, επιτυγχάνοντας μείωση 8,8%, ενώ στις υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει τη χαμηλότερη απόδοση μεταξύ των αναβαθμισμένων διατάξεων.
Για θερμοκρασίες νερού 40/45°C, οι συμβατικές αντλίες θερμότητας με R600, R290 και R1270 υπερτερούν όλων των εξεταζόμενων συστημάτων CO2, επιτυγχάνοντας μείωση της ετήσιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά 31% σε σχέση με το βασικό διακρίσιμο σύστημα CO2. Για τις συνθήκες 60/75°C, το πλεονέκτημά τους δεν είναι εξίσου σαφές, καθώς μόνο η συμβατική αντλία θερμότητας με R600 υπερέχει, επιτυγχάνοντας μείωση 9,6%, ενώ αποδοτικότερες λύσεις παραμένουν το σύστημα καταρράκτη CO2/R600 και το σύστημα με εγχυτήρα. Εξαίρεση αποτελεί η συμβατική αντλία θερμότητας με R1234yf, η οποία, για θερμοκρασίες νερού 60/75°C, εμφανίζει χαμηλότερη απόδοση ακόμη και από το βασικό διακρίσιμο σύστημα CO2.
Βελτίωση COP για κάθε εξεταζόμενη τεχνολογική αναβάθμιση σε σύγκριση με τον βασικό διακρίσιμο κύκλο CO2 για διάφορες θερμοκρασίες περιβάλλοντος και νερού:α) 40/45°C και β) 60/75°C.
*Η κ. Αγγελική Κιτσοπούλου είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια στον Τομέα Θερμότητας της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Ο Ευάγγελος Μπέλλος είναι επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής.
