Μελέτη περίπτωσης, για παραγωγή θερμότητας από σύστημα ηλιακών συλλεκτών και λέβητα – καυστήρα βιομάζας και για θερμική αποθήκευση σε αθλητικές υποδομές.

Το παρόν άρθρο αφορά μελέτη που εκπονήθηκε με σκοπό την ενεργειακή αναβάθμιση του Παγκρήτιου Σταδίου στο Ηράκλειο Κρήτης, για την παραγωγή θερμότητας με συνδυασμένο σύστημα ηλιακών συλλεκτών, αποθήκευσης θερμότητας και καυστήρα βιομάζας.

Του Δημήτρη Αλ. Κατσαπρακάκη*

Οι αθλητικές υποδομές συνήθως έχουν μεγάλες ανάγκες σε θερμότητα. Στο Παγκρήτιο Στάδιο, το οποίο αφορά η παρούσα μελέτη, και κάτω από το χώρο των κερκίδων, φιλοξενούνται περίπου 20 στρέμματα στεγασμένης επιφάνειας, τα οποία χρησιμοποιούνται ως αίθουσες άθλησης και ως γραφεία.

Περισσότερα από 25 διαφορετικά αθλήματα διδάσκονται ή εκτελούνται στις στεγασμένες υποδομές του σταδίου, με κάθε ένα από αυτά να διαθέτει τα δικά του ανεξάρτητα αποδυτήρια. Η θέρμανση των δύο κολυμβητικών δεξαμενών του σταδίου, η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης για τα αποδυτήρια, καθώς και ο κλιματισμός των εσωτερικών χώρων, αποτελούν τις πλέον ενεργοβόρες παροχές του σταδίου.

Στα πλαίσια της ενεργειακής αναβάθμισης του Παγκρήτιου Σταδίου, η οποία διερευνήθηκε το 2018 από επιστημονική ομάδα του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του πρώην Τ.Ε.Ι. Κρήτης (νυν Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου), για την κάλυψη των αναγκών θερμότητας του σταδίου και ειδικά για τη θέρμανση των κολυμβητικών δεξαμενών και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, προτάθηκε συνδυασμένο σύστημα ηλιακών συλλεκτών, αποθήκευσης θερμότητας και καυστήρα βιομάζας.

Η δομή και η φιλοσοφία του προτεινόμενου συστήματος παρουσιάζονται στο σχήμα 1.

Το σύστημα μπορεί να θεωρηθεί αντίστοιχο των λεγόμενων «υβριδικών σταθμών» παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως σε αυτούς τους σταθμούς, έτσι κι εδώ βασικός στόχος είναι η μεγιστοποίηση της αξιοποίησης της στοχαστικής διαθέσιμης πηγής ενέργειας, δηλαδή της ηλιακής ακτινοβολίας. Για το σκοπό αυτό εισάγονται τα θερμοδοχεία αποθήκευσης, με στόχο την προσαρμογή της στοχαστικής διαθεσιμότητας της ηλιακής ισχύος με τη ζήτηση. Το σύστημα συμπληρώνεται από μία μονάδα εγγυημένης παραγωγής θερμικής ισχύος, όπως είναι ένας καυστήρας.

Το προτεινόμενο σύστημα χρησιμοποιεί την υφιστάμενη υποδομή του σταδίου αναφορικά με τη διανομή θερμότητας από τα θερμοδοχεία αποθήκευσης στις τελικές χρήσεις, σε αποδυτήρια ή κολυμβητικές δεξαμενές. Η παραγωγή θερμότητας για ζεστό νερό χρήσης σήμερα στηρίζεται αποκλειστικά στη χρήση πετρελαίου σε έναν κεντρικό καυστήρα πετρελαίου και ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω αντιστάσεων που υπάρχουν στα υφιστάμενα τέσσερα θερμοδοχεία, τα οποία βρίσκονται εγκατεστημένα στις τέσσερις γωνίες του σταδίου.

Λόγω παλαιότητας, τα τέσσερα θερμοδοχεία αντικαθίστανται με τέσσερα νέα χωρητικότητας 5.000 λίτρων το καθένα. Επίσης, ο καυστήρας πετρελαίου αντικαθίσταται με νέο καυστήρα βιομάζας, αντίστοιχης ισχύος, με πρόβλεψη για κατάλληλη υποδομή αποθήκευσης και αυτοτροφοδοσίας καυσίμου.

Κάθε ένα από τα τέσσερα θερμοδοχεία τροφοδοτείται ανεξάρτητα από το άλλο από συγκεκριμένο αριθμό ηλιακών συλλεκτών. Έτσι, πρακτικά δημιουργούνται τέσσερα ανεξάρτητα συστήματα ηλιακών συλλεκτών, κάθε ένα από τα οποία είναι συνδεδεμένο με ένα θερμοδοχείο. Η κάθε ομάδα ηλιακών συλλεκτών αποτελείται από συνολικά 32 συλλέκτες, συνδεδεμένους ανά τέσσερις σε σειρά και σε οχτώ παράλληλες τετράδες. Όλο το σύστημα αποτελείται από 4 x 32 = 128 συλλέκτες (βλ. σχήμα 2).

Η ανωτέρω παρουσιαζόμενη διαστασιολόγηση προέκυψε μέσα από την υπολογιστική προσομοίωση με μέσο ωριαίο χρονικό βήμα της ετήσιας λειτουργίας του συστήματος, η οποία υλοποιήθηκε με κατάλληλη υπολογιστική εφαρμογή που αναπτύχθηκε για αυτόν ακριβώς το σκοπό. Στόχος ήταν, μέσω της επαναληπτικής εφαρμογής της διαδικασίας, η ελαχιστοποίηση της περιόδου αποπληρωμής του έργου.

Το προτεινόμενο σύστημα αποσκοπεί συνολικά στην κάλυψη της ζήτησης θερμότητας για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης και για τη θέρμανση των κολυμβητικών δεξαμενών. Η συνολική αυτή ζήτηση εκτιμήθηκε σύμφωνα με βασικές παραδοχές για την κατανάλωση ζεστού νερού (σύμφωνα με αριθμό χρηστών ανά ώρα στο στάδιο, ποσότητα νερού ανά χρήστη κλπ.) και με αναλυτικό υπολογισμό των φορτίων θέρμανσης των κολυμβητικών δεξαμενών.

Παράλληλα εισήχθησαν ως χρονοσειρές μέσου ωριαίου χρονικού βήματος όλα τα βασικά μετεωρολογικά μεγέθη, τα οποία υπεισέρχονται στον υπολογισμό θερμικής ισχύος από ηλιακούς συλλέκτες. Με αυτά τα δεδομένα κατέστη εφικτή η υλοποίηση της υπολογιστικής προσομοίωσης.

Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα βασικά μεγέθη για τα διάφορα εξεταζόμενα σενάρια, από τα οποία προκύπτει η προαναφερόμενη διαστασιολόγηση των ηλιακών πεδίων. Οι περίοδοι αποπληρωμής του έργου υπολογίζονται στη βάση της μείωσης του κόστους παραγωγής θερμότητας λόγω της απαλοιφής της κατανάλωσης πετρελαίου θέρμανσης και ηλεκτρικής ενέργειας.

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η ετήσια διακύμανση του ποσοστού αποθήκευσης ημερήσιας θερμότητας από τους ηλιακούς συλλέκτες και από τον καυστήρα βιομάζας ως προς την ημερήσια ζήτηση θερμότητας.

Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τόσο την ενεργειακή όσο και την οικονομική σκοπιμότητα του προτεινόμενου συστήματος. Με την προϋπόθεση της εισαγωγής καυστήρα βιομάζας, το όλο σύστημα στηρίζεται αποκλειστικά στη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας. Η οικονομική σκοπιμότητα μεγιστοποιείται στην περίπτωση που το προτεινόμενο σύστημα αντικαθιστά ή απαλείφει την κατανάλωση πετρελαίου θέρμανσης.

Πολύ σημαντική επίσης παράμετρος ως προς τη μεγιστοποίηση της οικονομικής σκοπιμότητας του έργου είναι η ετήσια ζήτηση θερμότητας. Σε κάποια διαφορετική περίπτωση, όπου η ζήτηση θερμότητας πιθανότατα να μηδενιζόταν το καλοκαίρι λόγω έλλειψης ανάγκης θέρμανσης, η οικονομική σκοπιμότητα του έργου θα επηρεαζόταν σαφώς αρνητικά.

Σχήμα 1: Δομή και φιλοσοφία λειτουργίας του προτεινόμενου συστήματος παραγωγής θερμότητας.

 

Σχήμα 2: Συνδεσμολογία ηλιακών συλλεκτών.

Σχήμα 3: Ετήσια διακύμανση των ημερήσιων ποσοστών αποθήκευσης θερμότητας από τους ηλιακούς συλλέκτες και τον καυστήρα βιομάζας ως προς την ημερήσια ζήτηση θερμότητας.

 

*Ο κ. Δημήτρης Αλ. Κατσαπρακάκης είναι μηχανολόγος μηχανικός, απόφοιτος του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου από το 1997. Σήμερα είναι καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου, ιδρυτικό μέλος της «Μινώα Ενεργειακής Κοινότητας» και μέλος της «Συνεταιριστικής Εταιρείας Σίφνου».

Ελέγξτε επίσης

ΕΥΑΘ Α.Ε.: Μέχρι τον Άγιο Αθανάσιο το δίκτυο αποχέτευσης

Η Εταιρεία Ύδρευσης και Αποχέτευσης Θεσσαλονίκης (ΕΥΑΘ Α.Ε.) αναλαμβάνει το κεντρικό δίκτυο αποχέτευσης της τοπικής …

Τα Περιοδικά μας