Η αξιοποίηση του κύκλου προσρόφησης για θέρμανση και ψύξη με χαμηλό περιβαλλοντικό αποτύπωμα –Το παράδειγμα του κτιρίου Ο της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ

Άρθρο των κ. Σωτήριου Καρέλλα, Τρύφωνα Ρουμπεδάκη, Γεώργιου Κάλλη και Παναγιώτη Βουρλιώτη*

Η προσρόφηση περιλαμβάνει την κατανομή μορίων μεταξύ δύο φάσεων, η μία από τις οποίες είναι στερεή και η άλλη είτε με υγρό είτε με αέριο. Η προσρόφηση είναι μια πολύ διαδεδομένη τεχνολογία όσον αφορά την επεξεργασία νερού, τον καθαρισμό υγρών και τις διαδικασίες καθαρισμού αερίων. Ωστόσο, μόνο τη δεκαετία του 1990 οι ερευνητές άρχισαν να ερευνούν την πιθανή χρήση της προσρόφησης ως κύκλου ψύξης.
Ένας κύκλος προσρόφησης μίας βαθμίδας αποτελείται από τέσσερις διεργασίες. Η αρχή του κύκλου προσρόφησης βασίζεται σε δύο κύριες διεργασίες: την εκρόφηση και την προσρόφηση.
Αρχικά, το σύστημα βρίσκεται σε χαμηλή πίεση και θερμοκρασία, ενώ το προσροφητικό μέσο που περιέχεται στον προσροφητή είναι κορεσμένο σε ψυκτικό και δεν είναι σε θέση να προσροφήσει περαιτέρω. Προκειμένου να αναγεννηθεί, εκκινεί μια φάση εκρόφησης: το προσροφητικό μέσο θερμαίνεται αξιοποιώντας κάποια πηγή θερμότητας, απομακρύνοντας το ψυκτικό από το πορώδες του προσροφητικού μέσου και αυξάνοντας την πίεση του συστήματος. Το εκροφούμενο ψυκτικό ρευστό συμπυκνώνεται πλήρως στον συμπυκνωτή, παράγοντας ωφέλιμη θερμότητα σε θερμοκρασία περίπου 40οC (π.χ. για ενδοδαπέδια θέρμανση χώρου).
Η επόμενη φάση είναι η προσρόφηση. Σε αυτή τη φάση, ο προσροφητής ψύχεται πίσω στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, κάτι που προκαλεί την προσρόφηση μέρους του ψυκτικού ρευστού. Κατά τη διάρκεια της περιόδου θέρμανσης, παράγεται χρήσιμη θερμότητα, καθώς η προσρόφηση είναι μια έντονα εξώθερμη αντίδραση. Αντίθετα, κατά την ψυκτική περίοδο, παράγεται ψύξη στον ατμοποιητή της εγκατάστασης.

Τα πλεονεκτήματα που έχουν τα συστήματα προσρόφησης είναι τα εξής:

•Απαιτούν απλό εξοπλισμό.
•Επιτρέπουν τη χρήση πηγών θερμότητας με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ τα συστήματα απορρόφησης απαιτούν πηγές θερμότητας με τουλάχιστον 70οC
•Σε σύγκριση με τη συμβατική ψύξη με συμπίεση ατμών, επιτρέπουν τη χρήση απορριπτόμενης θερμότητας ή ηλιακής ενέργειας, έχουν χαμηλότερο κόστος λειτουργίας και δεν έχουν κινούμενα μέρη, ούτε και δονήσεις.

Το σύστημα ZEOSOL

Στόχος του προγράμματος ZEOSOL (Integrated Solar Heating & Cooling System based on a zeolite chiller and heat pump) ήταν η ανάπτυξη και η πειραματική διερεύνηση ενός καινοτόμου συστήματος ηλιακής ψύξης / θέρμανσης με προσρόφηση, το οποίο ενσωματώνει προηγμένες τεχνολογίες εναλλακτών θερμότητας και αντλιών θερμότητας για την κάλυψη αιχμών στη ζήτηση.
Το σύστημα που εγκαταστάθηκε στο κτίριο «Ο» της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ), στο Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων, αποτελείται από ένα ψύκτη προσρόφησης ψυκτικής ισχύος 12,5 kW και από μία βοηθητική αντλία θερμότητας 30kW. Η προσδιδόμενη θερμότητα στον ψύκτη προσρόφησης προέρχεται από ηλιακό πεδίο συλλεκτών κενού συνολικής επιφάνειας 40m2. Το σύστημα μελετήθηκε πειραματικά στα πλαίσια του έργου κατά το χρονικό διάστημα από τον Ιούλιο του 2019 έως το Φεβρουάριο του 2020. Το εκτιμώμενο κόστος του συστήματος, κατόπιν βελτιστοποίησης, εκτιμάται περίπου στα 2.000 ευρώ / kW.
Οι ανάγκες σε θέρμανση και ψύξη πέντε γραφείων του Εργαστηρίου Ατμοκινητήρων και Λεβήτων της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών καλύπτονται πλέον εξολοκλήρου μέσω του συστήματος ZEOSOL, αποτέλεσμα του ερευνητικού προγράμματος ZEOSOL, το οποίο ολοκληρώθηκε πρόσφατα με επιτυχία.
Συντονιστής του προγράμματος είναι το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, με επιστημονικό υπεύθυνο τον καθηγητή κ. Σωτήριο Καρέλλα και υπεύθυνο μηχανικό και βασικό ερευνητή τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Τρύφωνα Ρουμπεδάκη.
Τα συμπεράσματα από την πειραματική λειτουργία του εν λόγω προγράμματος είχαν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη από την εταιρεία «Fahrenheit GmbH» μιας βελτιωμένης έκδοσης του ψύκτη προσρόφησης, στα πλαίσια του προγράμματος Wassermod2 (Μετασχηματισμός της θερμότητας προσρόφησης: βασική έρευνα με στόχο το σχεδιασμό νέων προσροφητικών υλικών και την εφαρμογή τους στην ηλιακή ψύξη), με συντονιστή τον καθηγητή κ. Γεώργιο Παπαδόπουλο της Σχολής Χημικών Μηχανικών. Η βελτιωμένη έκδοση του ψύκτη προσρόφησης εγκαταστάθηκε κι αυτή στο εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων και ελέγχεται πειραματικά αυτή την περίοδο.

Ανάλυση κύκλου ζωής του συστήματος ZEOSOL

Η διεξαγωγή μελέτης ανάλυσης κύκλου ζωής για το σύστημα ZEOSOL είχε ως στόχο την εκτίμηση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου του συστήματος. Η μελέτη εκπονήθηκε από το διπλωματούχο μηχανικό κ. Γεώργιο Κάλλη. Η «ανάλυση κύκλου ζωής» αποτελεί μία μεθοδολογία η οποία χρησιμοποιείται για την εκτίμηση και ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων ενός προϊόντος καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής του.
Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ο σημαντικός ρόλος της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από τη βοηθητική αντλία θερμότητας στην υπερθέρμανση του πλανήτη, στην καταστροφή του όζοντος και στην εξάντληση των αποθεμάτων νερού. Αντίστοιχα, διακρίνεται η σημαντική συνεισφορά των συνιστωσών του συστήματος –οι οποίες αποτελούνται κυρίως από χαλκό, όπως το ηλιακό πεδίο– στη συνολική επίπτωση του συστήματος στην εξάντληση των πόρων μεταλλευμάτων και στη χρήση της γης.
Όσον αφορά τη σύγκριση του συστήματος με μία συμβατική αντλία θερμότητας, το σύστημα ZEOSOL παρουσιάζει αισθητά χαμηλότερη επιβάρυνση στα φαινόμενα της υπερθέρμανσης του πλανήτη και της μείωσης της στοιβάδας του όζοντος, κι αυτό οφείλεται στη σημαντικά μειωμένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο.
Από την άλλη πλευρά, αδύναμο σημείο του συστήματος ZEOSOL είναι τα υψηλά ποσά χαλκού και γενικότερα μετάλλων από τα οποία αποτελείται, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα μία αντλία θερμότητας να έχει μόνο το 20% του αντίκτυπου του συστήματος στην αντίστοιχη κατηγορία.
Επιπλέον, ένας άλλος παράγοντας που έχει σημαντική επίδραση στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα του συστήματος είναι η τοποθεσία της εγκατάστασης.
Μεταξύ πέντε ευρωπαϊκών χωρών, η Πορτογαλία αποτελεί την καλύτερη και η Κύπρος τη χειρότερη αντίστοιχα επιλογή για την εγκατάσταση του συστήματος, όσον αφορά την υπερθέρμανση του πλανήτη και την εξάντληση του όζοντος.
Από την άλλη πλευρά, η εγκατάσταση στην Κύπρο έχει το χαμηλότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε σχέση με τις άλλες χώρες, όσον αφορά τη χρήση γης, την εξάντληση των πόρων μεταλλευμάτων και την κατανάλωση νερού.
Σε κάθε περίπτωση, καθοριστικό παράγοντα για τα αποτελέσματα αποτελεί το μείγμα ηλεκτρικής ενέργειας κάθε χώρας.

*Ο Σωτήριος Καρέλλας είναι καθηγητής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, ο κ. Τρύφων Ρουμπεδάκης υποψήφιος διδάκτωρ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, ο Γεώργιος Κάλλης είναι διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός και ο Παναγιώτης Βουρλιώτης Δρ. μηχανολόγος μηχανικός.

Ελέγξτε επίσης

Το χρηματοδοτικό πρόγραμμα «Εξοικονομώ»: μαθήματα και βέλτιστες πρακτικές εξοικονομήσεως ενέργειας

Άρθρο του Απόστολου Ευθυμιάδη* 1. Εισαγωγή Ξεκίνησε ήδη η εφαρμογή τού νέου χρηματοδοτικού προγράμματος «Εξοικονομώ-Αυτονομώ» …