Άρθρο του κ. Απόστολου Ευθυμιάδη*
Tα περισσότερα προγράμματα ενεργειακής αναβάθμισης κτιρίων παρέχουν πλέον σημαντική επιδότηση κεφαλαίου για τις απαιτούμενες επενδύσεις, υπό τον όρο ότι η ενεργειακή κατηγορία του κτιρίου θα φθάσει τουλάχιστον Β κατά τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης (ΚΕΝΑΚ). Και η τεχνολογία των αντλιών θερμότητας παρέχει τη δυνατότητα ευχερούς επίτευξης αυτής της ενεργειακής κλάσεως κατά ΚΕΝΑΚ. Παράλληλα, η χρήση αντλίας θερμότητας για ψύξη / θέρμανση, σε αντικατάσταση του παλαιού λέβητα και του παλαιού κλιματιστικού ή παλαιού ψύκτη, έχει πολύ υψηλή οικονομική απόδοση, με χρόνους αποσβέσεως των επεμβάσεων της τάξεως των 4 έως 5 χρόνων.
Η συνδυασμένη χρήση των αντλιών θερμότητας για ψύξη, θέρμανση και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης επιφέρει δραστική βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης, σε επίπεδο τόσο κατανάλωσης τελικής ενέργειας Q όσο και πρωτογενούς ενέργειας Qπ, όπου Qπ = π. Q και «π» είναι ο συντελεστής μετατροπής σε πρωτογενή ενέργεια του χρησιμοποιούμενου καυσίμου.
Λειτουργία τυπικής διάταξης αντλίας θερμότητας
Η απλούστερη τυπική διάταξη αντλίας θερμότητας φαίνεται στο σχήμα 1. Η διάταξη περιλαμβάνει ένα ψυκτικό υγρό το οποίο κυκλοφορεί και λειτουργεί σε κλειστό κύκλο. Το ψυκτικό υγρό εισέρχεται στον εξατμιστήρα (σημείο 6) ως υγρό που περιέχει ένα μικρό ποσοστό ατμού σε θερμοκρασία 5 – 7ο C. 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 σε θερμοκρασία ίση ή ελαφρώς μεγαλύτερη των 7ο C (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 στο συμπιεστή, όπου συμπιέζεται σε πίεση 15 έως 20 bar. Κατά τη συμπίεση προσδίδεται ηλεκτρική ενέργειας W στο συμπιεστήρα. Λόγω της συμπίεσης αυτής η θερμοκρασία αυξάνεται σημαντικά, έως τους 75ο C (σημείο 2).
Στη συνέχεια ο συμπιεσμένος ατμός οδεύει προς τον συμπυκνωτήρα εντός του σωλήνα καταθλίψεως (γραμμή 2 – 3). Κατά την όδευση εντός του σωλήνα κατάθλιψης, ο συμπιεσμένος ατμός υφίσταται συχνά μια πτώση πίεσης και θερμοκρασίας (της τάξεως των 2 – 3ο C) και εισέρχεται στο συμπυκνωτήρα στο σημείο 3.
Εντός του συμπυκνωτήρα ο συμπιεσμένος ατμός συμπυκνώνεται σε υγρό και ψύχεται περαιτέρω με τη βοήθεια του εξωτερικού αέρα, θερμοκρασίας 30 – 38ο C. Κατά τη συμπύκνωση ο συμπυκνωτήρας αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον QΣ (εξωτερική μονάδα). Τέλος, ο κύκλος ολοκληρώνεται με την εκτονωτική βαλβίδα στραγγαλισμού, όπου το ψυκτικό υγρό υποχρεώνεται να διέλθει μέσω ενός τριχοειδούς σωλήνα, με αποτέλεσμα κατά την έξοδό του στο σημείο 6: α) να έχει πέσει η πίεσή του στα 5 bar περίπου, λόγω ακριβώς του στραγγαλισμού του υγρού, και β) να έχει πέσει η θερμοκρασία στους 7ο C. Κατά τη λειτουργία θέρμανσης αναστρέφεται το κλειστό κύκλωμα του ψυκτικού μέσου, έτσι ώστε η εξωτερική μονάδα να λειτουργεί ως εξατμιστήρας –απορροφώντας ή «αντλώντας» θερμότητα από το εξωτερικό περιβάλλον ως «αντλία θερμότητας»– και η εσωτερική μονάδα να λειτουργεί ως συμπυκνωτήρας, αποδίδοντας θερμότητα QΘ στο εσωτερικό περιβάλλον με το εξής απλό ισοζύγιο ενέργειας: QΘ = QΣ = QE + W
Βαθμός απόδοσης
Ο βαθμός απόδοσης μίας αντλίας θερμότητας κατά την ψύξη καλείται EER (Energy Efficiency Ratio) και ισούται με την αποδιδόμενη ψυκτική ενέργεια QΨ ως προς την προσδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια: EER = QΨ/W σε τυπικές συνθήκες δοκιμής (σε εξωτερική θερμοκρασία 35ο C και εσωτερική 27ο C, βλέπε ΕΛΟΤ-ΕΝ 14511-2). Kατά τη θέρμανση ο βαθμός απόδοσης καλείται COP (Coefficient of Performance) και ορίζεται ως COP = QΘ/W, μετρούμενος σε τυπικές συνθήκες δοκιμής: εξωτερική θερμοκρασία 7ο C και εσωτερική θερμοκρασία 20ο C. Στην ηλεκτρική ενέργεια W περιλαμβάνεται η ηλεκτρική ενέργεια τόσο για το συμπιεστή όσο και για τους ανεμιστήρες στο συμπυκνωτήρα και στον εξατμιστήρα. Στην πράξη όμως οι βαθμοί απόδοσης EER και COP μεταβάλλονται ανάλογα με τη διακύμανση της εξωτερικής θερμοκρασίας και τη λειτουργία σε μερικό φορτίο Q, όπου Q < QΘ κατά τη θέρμανση ή Q < QΨ κατά την ψύξη. Για αυτό, με τον ευρωπαϊκό Κανονισμό (ΕΕ) αριθ. 626/2011 ορίζεται ο εποχιακός βαθμός απόδοσης (Seasonal) για την ψύξη (SEER) και για τη θέρμανση (SCOP) των αντλιών θερμότητας. Οι τυπικοί βαθμοί απόδοσης για συμβατικές αντλίες θερμότητας και σύγχρονες με inverter (ρυθμιστή στροφών) φαίνονται στον πίνακα 1.
Υποχρεωτική επισήμανση
Οι εποχιακοί βαθμοί αποδόσεως ορίζονται και με την υποχρεωτική σήμανση των αντλιών θερμότητας, σύμφωνα με τον Κανονισμό 626/2011 της Επιτροπής της 4ης Μαΐου 2011, ο οποίος συμπληρώνει την Οδηγία 2010/30/ΕΕ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου όσον αφορά την επισήμανση της κατανάλωσης ενέργειας των κλιματιστικών. Από την 1η Ιανουαρίου 2013, όλες οι αντλίες θερμότητας και τα κλιματιστικά που κυκλοφορούν στην αγορά πρέπει να φέρουν επισήμανση (label) αναφορικά με τους εποχιακούς βαθμούς απόδοσης, κατά την εποχή τόσο της ψύξης όσο και της θέρμανσης (εφόσον διαθέτουν αυτή την ικανότητα). Μία τυπική επισήμανση μίας πωλούμενης αντλίας θερμότητας φαίνεται στην εικόνα 1. Η Οδηγία 2010/30 και ο Κανονισμός 626/2011 έθεσαν τις βάσεις για τη διαμόρφωση της μεθοδολογίας υπολογισμού των εποχιακών βαθμών απόδοσης, τις οποίες όμως ολοκλήρωσε το πρότυπο ΕΛΟΤEN 14825/2013. Οι τάξεις επισήμανσης της ενεργειακής απόδοσης φαίνονται στον πίνακα 2. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 1, η επισήμανση των αποδόσεων δίνεται χωριστά για την εποχή ψύξης και για τις τρεις εποχές θέρμανσης: για την ψυχρότερη με γαλάζιο χρώμα, για τη μέση με πράσινο χρώμα και για τη θερμότερη με πορτοκαλί χρώμα. Η Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου ΤΟΤΕΕ 20701- 1 ορίζει ότι ο εποχιακός βαθμός απόδοσης για την ψύξη και θέρμανση ισούται με 0,6 (σελίδα 111) και 0,93 (σελίδα 117) αντιστοίχως του οριζόμενου στη σήμανση της αντλίας θερμότητας.
Η μεθοδολογία της αξιολόγησης
Η ενεργειακή απόδοση στη θέρμανση ενός κτιρίου συνδέεται ευθέως με την ετήσια ζήτηση ενέργειας για τη θέρμανση QZ,Θ ή ψύξη QZ,Ψ. Η ετήσια κατανάλωση τελικής ενέργειας θέρμανσης κτιρίου QΘ ορίζεται ως εξής: QΘ = QZΘ / η (1) όπου «η» είναι ο συνολικός βαθμός απόδοσης της μονάδας παραγωγής θερμότητας. Σε περίπτωση επεμβάσεως με αντλία θερμότητας, τότε αντί για τον «η» γίνεται χρήση του αντίστοιχου εποχιακού βαθμού απόδοσης SCOP ή SEER κατά την ψύξη. Τέλος, η ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας εκτιμάται από την εξίσωση 2: QΠ = π . QΘ = π . QZΘ / η (2) όπου π είναι ο συντελεστής μετατροπής της τελικής κατανάλωσης ενέργειας του κτιρίου για θέρμανση QΘ σε πρωτογενή ενέργεια (Άρθρο 5 Κ.Εν.Α.Κ. ή ο Πίνακας 1.2 της ΤΟΤΕΕ 20701- 1), ο οποίος ισούται με 1,1 για το πετρέλαιο, 1,05 για το φυσικό αέριο και 2,9 για την ηλεκτρική ενέργεια. Η μεταβολή «μ» της ενεργειακής απόδοσης μετά από μία επέμβαση εισαγωγής μίας αντλίας θερμότητας σε αντικατάσταση του παλαιού συστήματος υπολογίζεται από το λόγο: μ = (QΠ – Q΄Π)/ QΠ = 1 -(Q΄Π / QΠ) (3) όπου ο τόνος (΄) υποδεικνύει τα σχετικά μεγέθη μετά την επέμβαση. Για μ > 0 διαπιστώνεται βελτίωση (εξοικονόμηση ενέργειας), ενώ για μ < 0 διαπιστώνεται επιδείνωση της ενεργειακής απόδοσης. Αντικαθιστώντας τον τύπο 2 στον τύπο 3 προκύπτει ο γενικός τύπος για την αξιολόγηση της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης σε επίπεδο κτιρίου ή ιδιοκτησίας: (4) Ο τύπος 4, στη γενική αυτή μορφή του, αποτελεί τη βάση για την αξιολόγηση των επεμβάσεων στη θέρμανση ή ψύξη ενός κτιρίου κατά ΚΕΝΑΚ, διότι εκτιμά τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του κτιρίου σε επίπεδο πρωτογενούς ενέργειας.
Επιπροσθέτως ο τύπος αυτός έχει και τις ακόλουθες χρήσεις:
- Εάν τα πk ληφθούν ίσα με τη μονάδα, τότε ο συντελεστής μ ισοδυναμεί με το ποσοστό εξοικονόμησης ενέργειας τελικής χρήσεως.
- Εάν τα πk αντικατασταθούν με την τιμή μονάδας της αντίστοιχης μορφής ενέργειας τν (ευρώ / kWh), τότε προκύπτει το ποσοστό οικονομίας ενέργειας σε χρηματικούς όρους.
- Εάν τα πk αντικατασταθούν με τον συντελεστή εκπομπής CO2 από τον Πίνακα 1.2 της ΤΟΤΕΕ-1 (σε kg/kWh), τότε ο συντελεστής μ ισοδυναμεί με το ποσοστό μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.
ΕΦΑΡΜΟΓΈΣ
Υποκατάσταση συμβατικού λέβητα αερίου ή πετρελαίου Εάν το υφιστάμενο σύστημα θέρμανσης περιλαμβάνει λέβητα φυσικού αερίου με βαθμό απόδοσης ηΛ=83%, τότε η μείωση της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας από μία αντλία θερμότητας με SCOP~3,5 ισούται με: Σήμερα ο συντελεστής «π΄» πρέπει μειωθεί δραστικά από το 2,9. Επειδή η κατάσταση της ηλεκτροπαραγωγής της χώρας έχει μεταβληθεί σημαντικά (αφού κυριαρχεί πλέον το φυσικό αέριο με βαθμό απόδοσης 50% και ποσοστό συμμετοχής άνω του 35%, τα λιγνιτικά με βαθμό απόδοσης 30% έχουν πέσει στο 15% της ηλεκτροπαραγωγής ή χαμηλότερα, ενώ τα υπόλοιπα καλύπτονται από εισαγωγές ρεύματος ή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, από τις οποίες δεν προκαλούνται εκπομπές CO2 ), τότε ο εθνικός συντελεστής πρέπει να κατέβει στο: π΄ = 0,35/50% + 0,15/30% + 0 = 1,2 Λαμβάνοντας συντηρητικά ότι π΄ = 1,5 τότε η μείωση «μ» γίνεται 66,1%. Υποκατάσταση παλαιού κλιματιστικού κατά την ψύξη Εάν η σύγκριση της αντλίας θερμότητας γίνει με ένα παλαιό κλιματιστικό με βαθμό αποδόσεως SEER περίπου 2,2, τότε η μείωση της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας από μία αντλία θερμότητας με SCOP περ. 4,0 (αλλά και της τελικής ηλεκτρικής ενέργειας, αφού οι συντελεστές «π» απαλείφονται) ισούται με: Οικονομία λειτουργίας έναντι λέβητα πετρελαίου Εάν στον τύπο 4, αντί για τους συντελεστές «π» ληφθούν οι τιμές μονάδας ηλεκτρικής ενέργειας (0,15 ευρώ /kWh) και πετρελαίου (0,11 ευρώ /kWh), τότε η μείωση των λειτουργικών εξόδων της θέρμανσης που επιτυγχάνεται είναι: tipos 7 Η μείωση αυτή είναι πολύ σημαντική. Και εάν σε αυτή προστεθεί και η μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από τα παλαιά κλιματιστικά, τότε γίνεται αμέσως κατανοητό γιατί η εισαγωγή των αντλιών θερμότητας στην ψύξη / θέρμανση έχει τόσο χαμηλά έξοδα λειτουργίας, χάρη στα οποία το αρχικό υπερβάλλον τίμημα προμήθειας μίας αντλίας θερμότητας αποσβήνεται σε μικρό χρονικό διάστημα.
Δείτε τις φωτογραφίες στο τεύχος Σεπτεμβρίου 2020 του «Θερμοϋδραυλικού»
*Ο κ. Απόστολος Ευθυμιάδης είναι δρ. μηχανικός ΜΙΤ (1984), διπλωματούχος μηχανολόγος – ηλεκτρολόγος μηχανικός ΕΜΠ (1978) και ενεργειακός σύμβουλος της Πανελλήνιας Ομοσπονδίας Ιδιοκτητών Ακινήτων (Π.ΟΜ.ΙΔ.Α.) / UIPI.
