Υποχρεωτική καθίσταται εντός της επόμενης τριετίας από την ΕΕ η συνεχής παρακολούθηση του βαθμού απόδοσης μεγάλων αντλιών θερμότητας και ψύξης σε κτίρια του τριτογενούς τομέα, και για αυτό απαιτείται η εφαρμογή μίας μεθόδου που να επιτυγχάνει μετρήσεις με σχετικά χαμηλό κόστος και να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις τις ευρωπαϊκής νομοθεσίας.
Άρθρο του κ. Απόστολου Ευθυμιάδη* (από το έντυπο τεύχος Ιουνίου 2023)
Τα τελευταία χρόνια, στο επίκεντρο της ευρωπαϊκής νομοθεσίας έχει πλέον τεθεί η έννοια (και η ουσία) της ενεργειακής απόδοσης κτιρίων, στο πλαίσιο της δέσμευσης της ΕΕ να αναπτύξει ένα βιώσιμο, ανταγωνιστικό, ασφαλές και απαλλαγμένο από ανθρακούχες εκπομπές ενεργειακό σύστημα, με τελικό στόχο την περαιτέρω μείωση των εκπομπών αερίων κατά τουλάχιστον 40% έως το 2030.
Στο άρθρο μας θα ασχοληθούμε ειδικότερα με τη μέτρηση του εποχιακού θερμικού και ψυκτικού βαθμού απόδοσης αντλιών θερμότητας, για τα κτίρια του τριτογενούς τομέα.
Η Οδηγία του 2018
Τα άρθρα 14 και 15 της Οδηγίας 844/2018 για την ενεργειακή απόδοση κτιρίων αναφέρουν σχετικά με την επιθεώρηση των συστημάτων θέρμανσης και κλιματισμού στις μονάδες θέρμανσης / ψύξης τις υποχρεώσεις που παραθέτουμε παρακάτω.
Τα κράτη-μέλη καθορίζουν τις απαιτήσεις προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι, εφόσον είναι τεχνικά και οικονομικά εφικτό, τα μη προοριζόμενα για κατοικία κτίρια με συστήματα θέρμανσης ή συστήματα συνδυασμού θέρμανσης και εξαερισμού χώρου ωφέλιμης ονομαστικής ισχύος άνω των 290 kW, θα έχουν εξοπλιστεί έως το 2025 με συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου.
Τα συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου κτιρίων επιτρέπουν:
α) τη συνεχή παρακολούθηση, καταγραφή, ανάλυση και δυνατότητα προσαρμογής της κατανάλωσης ενέργειας·
β) τη συγκριτική αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης του κτιρίου, εντοπίζοντας απώλειες στην αποδοτικότητα των τεχνικών συστημάτων του κτιρίου και ενημερώνοντας τον υπεύθυνο των εγκαταστάσεων ή της τεχνικής διαχείρισης του κτιρίου σχετικά με τις δυνατότητες βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης· και
γ) την επικοινωνία με διασυνδεδεμένα τεχνικά συστήματα κτιρίου και άλλες συσκευές εντός του κτιρίου, καθώς και τη διαλειτουργικότητα με τεχνικά συστήματα κτιρίου διαφορετικών κατοχυρωμένων τεχνολογιών, μηχανισμών ή κατασκευαστών.
Τα κράτη μέλη μπορούν να καθορίζουν απαιτήσεις προκειμένου να εξασφαλίζεται ότι τα προοριζόμενα για κατοικία κτίρια είναι εξοπλισμένα με:
α) λειτουργία συνεχούς ηλεκτρονικής παρακολούθησης που μετρά την αποδοτικότητα των συστημάτων και ενημερώνει τους ιδιοκτήτες ή διαχειριστές του κτιρίου για τυχόν σημαντική μείωση της αποδοτικότητας ή για ανάγκη συντήρησης του συστήματος, και
β) λειτουργίες αποτελεσματικού ελέγχου για τη διασφάλιση βέλτιστης παραγωγής, διανομής, αποθήκευσης και κατανάλωσης ενέργειας.
Οι απαιτήσεις αυτές διατηρούνται απαράλλακτες και στη νέα Αναθεωρημένη Οδηγία για την Ενεργειακή Απόδοση των κτιρίων (EPBD Recast), η οποία ψηφίστηκε τον περασμένο Μάρτιο από το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο. Επομένως η συνεχής εκτίμηση και παρακολούθηση του βαθμού απόδοσης μεγάλων αντλιών θερμότητας που αναμένεται να καταστεί υποχρεωτική εντός της επομένως 3ετίας, παρουσιάζεται εδώ μία μέθοδος μέτρησης και μετρήσεων και υπολογισμού του βαθμού απόδοσης με σχετικά χαμηλό κόστος.
Ο ψυκτικός κύκλος
Η απλούστερη τυπική διάταξη αντλίας θερμότητας δίδεται στο Σχήμα 1. Η διάταξη περιλαμβάνει ένα ψυκτικό υγρό το οποίο κυκλοφορεί και λειτουργεί σε κλειστό κύκλο. Στο Σχήμα 2 δίδεται μία τυπική διαμόρφωση του ψυκτικού κύκλου.
Το ψυκτικό υγρό εισέρχεται στον Εξατμιστήρα (σημείο 6) ως υγρό που περιέχει ένα μικρό ποσοστό ατμού σε θερμοκρασία περί τους 3 με 9 °C. Στα οικιακά κλιματιστικά όπου η εκτονωτική διάταξη είναι στην εξωτερική μονάδα η εξάτμιση είναι 9C ενώ σε ημικεντρικά συστήματα όπου αυξάνουν και τα μήκη σωλήνωσης μπορεί να φτάσει και τους 3C.
Στα συνήθη γνωστά οικιακά κλιματιστικά διαιρούμενου τύπου, η συσκευή αυτή είναι το εσωτερικό τμήμα του κλιματιστικού που βρίσκεται εντός του κλιματιζόμενου χώρου. Κατά τη ροή του εντός του Εξατμιστήρα, το ψυκτικό υγρό εξατμίζεται πλήρως και εξέρχεται υπό μορφή ατμού με υπερθέρμανση περίπου +5 °C από τη θερμοκρασία εξάτμισης. (σημείο 8). Για την εξάτμισή του το ψυκτικό υγρό λαμβάνει θερμότητα QΕ από τον κλιματιζόμενο χώρο συντελώντας έτσι στον κλιματισμό του.
Το ψυκτικό υγρό ως ατμός (σημείο 1) εισέρχεται στη συνέχεια στον συμπιεστή όπου συμπιέζεται σε πίεση 25 έως 28 bar. για το συνήθες ψυκτικό μέσο R410A. Κατά την συμπίεση προσδίδεται ηλεκτρική ενέργειας W στον συμπιεστήρα. Λόγω της συμπίεσης αυτής η θερμοκρασία αυξάνεται σημαντικά, έως τους 80°C (σημείο 2).
Στη συνέχεια ο συμπιεσμένος ατμός οδεύει προς τον Συμπυκνωτήρα εντός του σωλήνα κατάθλιψης (γραμμή 2 – 3).Κατά την όδευση εντός του σωλήνα κατάθλιψης ο συμπιεσμένος ατμός υφίσταται συχνά μια πτώση πίεσης και θερμοκρασίας (της τάξης των 2 έως 3 °C) και εισέρχεται στον Συμπυκνωτήρα στο σημείο 3. Εντός του Συμπυκνωτήρα ο συμπιεσμένος ατμός συμπυκνώνεται σε υγρό και ψύχεται περαιτέρω με την βοήθεια του εξωτερικού αέρα, θερμοκρασίας από 30 έως 38°C. Κατά την συμπύκνωση ο συμπυκνωτήρας αποβάλει θερμότητα στο περιβάλλον QΣ (εξωτερική μονάδα).
Τέλος ο ψυκτικός κύκλος ολοκληρώνεται με την εκτονωτική βαλβίδα στραγγαλισμού, όπου το ψυκτικό υγρό υποχρεώνεται να διέλθει μέσω ενός τριχοειδή σωλήνα (παλαιότερα) και πλέον στις ηλεκτρονικές εκτονωτικές χρησιμοποιείται είτε διάταξη ακίδας είτε διάταξη κοχλία. Επομένως κατά την έξοδό του στο σημείο 6: α) η πίεση έχει πέσει στα 8 με 10 bar περίπου και β) Η θερμοκρασία να έχει πέσει στους 7°C.
Οι θερμοδυναμικοί υπολογισμοί
Ο ανωτέρω ψυκτικός κύκλος και μάλιστα σε τυπικές συνθήκες λειτουργίας μία αντλίας θερμότητας με ψυκτικό υγρό R410Α και ψυκτική ικανότητα 12 kW, παριστάνεται γραφικά στο Σχήμα 2. Σημειώνεται ότι το R410Α είναι ένα σύνηθες ψυκτικό μέσο το οποίο χρησιμοποιείται από τους κατασκευαστές αντλιών θερμότητας.
Για την ανάλυση του ψυκτικού κύκλου μπορεί να γίνει χρήση ελεύθερου λογισμικού, όπως είναι το πρόγραμμα Coolpack, το οποίο αναπτύχθηκε από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πολυτεχνείου της Δανίας.
Οι μετρήσεις πίεσης και θερμοκρασίας του ψυκτικού κύκλου μίας αντλίας θερμότητας, όπως αυτός περιγράφεται στην προηγούμενη παράγραφο, μπορούν να γίνουν από το εξουσιοδοτημένο συνεργείο συντήρησης της αντλίας θερμότητας. Εναλλακτικά σήμερα οι μετρήσεις αυτές μπορούν να οδηγηθούν στο αυτοματοποιημένο σύστημα διαχείρισης του κτιρίου (BMS), το οποίο υπολογίζει συνεχώς τον βαθμό απόδοσης της αντλίας θερμότητας όπως περιγράφεται στην συνέχεια.
Οι μετρήσεις αυτές εισάγονται στο πρόγραμμα Coolpack με το οποίο σχεδιάζεται αυτομάτως ο ψυκτικός κύκλος των μετρήσεων στο χάρτη φυσικών ιδιοτήτων του ψυκτικού μέσου επιλογής του χρήστη, περιλαμβάνοντας τα δεδομένα του πίνακα 1, όπου
Δp = πτώση πίεσης
ΔΤ = μεταβολή θερμοκρασίας.
Όπως φαίνεται και στον πίνακα, η ισεντροπική απόδοση του συμπιεστή συνήθως λαμβάνεται 0,7.
Τα ανωτέρω στοιχεία αποτυπώνονται σε ένα θερμοδυναμικό διάγραμμα p – h όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Στο διάγραμμα αυτό εμφανίζονται οι μεταβολές ΔT και Δp, ως εξής:
- απόσταση 7-8 = υπερθέρμανση
- απόσταση 4-5 = υπόψυξη
- απόσταση 8-1 = πτώση πίεσης στη γραμμή αναρρόφησης
- απόσταση 2-3 = πτώση πίεσης στη γραμμή κατάθλιψης.
Από τα ανωτέρω μετρητικά στοιχεία για τις πιέσεις και θερμοκρασίες και το διάγραμμα p-h υπολογίζονται οι ενθαλπίες h του κάθε σημείου στον ψυκτικό κύκλο σε kJ/kg. Τα διαγράμματα ή λογισμικά των ιδιοτήτων του ψυκτικού υγρού παρέχονται συνήθως από τον προμηθευτή του ψυκτικού μέσου.
Αναλυτικά στοιχεία και αριθμητικά παραδείγματα της προτεινόμενης μεθόδου δίδονται στο Παράρτημα Δ του 2ου Μέρους του Οδηγού Ενεργειακών Ελέγχων, ο οποίος είναι αναρτημένος στην ιστοσελίδα του Υπουργείου Περιβάλλοντος και Ενέργειας (ypen.gov.gr /Ενεργειακοί Έλεγχοι )
Ο στιγμιαίος ψυκτικός ενεργειακός βαθμός απόδοσης EER (Energy Efficiency Ratio), εκτιμάται από τον τύπο:
όπου Wψ είναι η παρεχόμενη ψυκτική ενέργεια και We είναι η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια, όπως αυτή μετράται από ένα μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας εγκατεστημένο στον ηλεκτρικό πίνακα της αντλίας θερμότητας. Οι ενθαλπίες h1, h2, h6 και h8 εκτιμώνται βάσει των μετρήσεων πίεσης και θερμοκρασίας και τα αντίστοιχα θερμοδυναμικά διαγράμματα ή λογισμικά.
Εναλλακτικά, ο βαθμός απόδοσης του ψυκτικού κύκλου EER μπορεί να υπολογιστεί ευθέως με τη βοήθεια μετρήσεων για τα μεγέθη του ακόλουθου τύπου:
Όμως, η μέτρηση της παροχής του ψυκτικού νερού m σε μεγάλα συστήματα είναι μία ακριβή υπόθεση, και για την εγκατάσταση θερμιδομετρητή για τη συνολική μέτρηση του αριθμητή του τύπου 2 σε σωλήνες παροχής διαμέτρου 100 mm μπορεί να φθάσει και τις 3.000 ευρώ. Γι’ αυτό οι μετρήσεις του τύπου 1 είναι κατά πολύ φθηνότερες και προτείνονται εδώ.
Ο αντίστοιχος εποχιακός βαθμός απόδοσης SEER (seasonal EER) εκτιμάται ως εξής:
όπου φΝ = We,N / We,0 είναι ο συντελεστής μερικού φορτίου της αντλίας θερμότητας κατά την Νιοστή μέτρηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας WE,N έναντι της ονομαστικής κατανάλωσης σε πλήρες φορτίο.
Έτσι με την βοήθεια του τύπου 3 και του συστήματος BMS καταγράφεται ευχερώς σε ένα σύστημα BMS η εποχιακή απόδοση της αντλίας θερμότητας ως κυλιόμενος μέσος όρος των επιμέρους μετρήσεων.
Θερμικός βαθμός απόδοσης
Τέλος και κατ’ αναλογία του τύπου 1 υπολογίζεται ο βαθμός απόδοσης των αντλιών θερμότητας κατά τη θέρμανση COP (Coefficient of Performance):
Ο εποχιακός βαθμός απόδοσης SCOP (Seasonal COP) εκτιμάται επίσης βάσει του τύπου 3, εάν αντί του EER τεθεί COP.
Συμπεράσματα
Στο παρόν άρθρο προτείνεται μία απλή μέθοδος συνεχούς καταγραφής και εκτίμησης των εποχιακών βαθμών αποδόσεων των αντλιών θερμότητας, είτε για ψύξη είτε για θέρμανση. Η προτεινόμενη μέθοδος για τον εποχιακό βαθμό απόδοσης επεκτείνει τη μέθοδο η οποία προτείνεται από τον Οδηγό Ενεργειακών Ελέγχων (Μέρος 2ο) του Υπουργείου Περιβάλλοντος και Ενέργειας.
Βάσει της Οδηγίας για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, με τη μέθοδο αυτή, εφαρμοσμένη σε ένα σύστημα BMS, δεν θα απαιτείται πλέον η τακτική ενεργειακή επιθεώρηση των συστημάτων θέρμανσης – ψύξης – κλιματισμού, ενώ ταυτόχρονα παρέχονται στους τεχνικούς συντήρησης των συστημάτων αυτών κατάλληλες οδηγίες για τυχόν προβλήματα δυσλειτουργίας των αντλιών θερμότητας, καθώς επίσης και για τον προγραμματισμό της συντήρησής τους.
*Ο κ. Απόστολος Ευθυμιάδης είναι διπλωματούχος μηχανολόγος – ηλεκτρολόγος μηχανικός ΕΜΠ (1978) και μηχανικός διαχειριστής της «Τεχνομετρική ΕΠΕ – Σύμβουλοι Μηχανικοί».
