Αρχική » Περιεχόμενα » Τεχνική Ενημέρωση » Aντλίες θερμότητας

Aντλίες θερμότητας

Των κ.κ.
Ιωάννη Θ. Αραβανή, Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Καθηγητή Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης,
Τρύφωνα-Χρυσοβαλάντη Ι. Αραβανή, Διπλ. Μηχανολόγου και Αεροναυπηγού Μηχανικού, Υποψήφιου Ph.D. Πανεπιστήμιου Πατρών
Θεοφάνη Ι. Αραβανή, Διπλ. Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών, M.Sc. Ε.Μ.Π., M.B.A., Υποψήφιου Ph.D. Πανεπιστήμιου Πατρών

Η αντλία θερμότητας είναι η συσκευή η οποία μεταφέρει θερμότητα από ένα μέσο χαμηλής θερμοκρασίας προς ένα μέσο υψηλής θερμοκρασίας (Σχήμα 1). Είναι γνωστό από την πράξη ότι η θερμότητα ρέει στη κατεύθυνση ελάττωσης της θερμοκρασίας, δηλαδή από ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία προς ένα άλλο που βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η μεταφορά θερμότητας στη φύση πραγματοποιείται χωρίς να απαιτείται κάποια ειδική διάταξη. Η αντίστροφη διεργασία όμως, δεν είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί από μόνη της, παρά μόνο με διατάξεις όπως είναι οι αντλίες θερμότητας, οι οποίες και απαιτούν μηχανικό έργο (καταναλώνουν δηλαδή ενέργεια, ηλεκτρική ή θερμική) για τη διαδικασία αυτή.
Η αντλία θερμότητας χρησιμοποιείται για να διατηρεί έναν θερμαινόμενο χώρο σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτό πετυχαίνεται με την απορρόφηση θερμότητας από μια πηγή χαμηλής θερμοκρασίας, όπως το νερό ενός ποταμού ή ο ψυχρός αέρας του χειμώνα και τη μεταφορά της σε ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία, όπως για παράδειγμα, το εσωτερικό ενός σπιτιού.
Σημειώνεται εδώ ότι τα συνήθη ψυγεία επιτελούν την ίδια ακριβώς διεργασία, διαφέρουν μόνο ως προς τον σκοπό χρήσης τους.
Ένα συνηθισμένο ψυγείο λοιπόν, «αντλεί» θερμότητα από τον χώρο ψύξης (εσωτερικός χώρος του ψυγείου) και την αποβάλλει προς τον αέρα του δωματίου στο οποίο είναι τοποθετημένο. Με τη συνεχή απορρόφηση θερμότητας από το εσωτερικό του ψυγείου, ο χώρος αυτός διατηρείται σε χαμηλή θερμοκρασία. Σημειώνεται εδώ, ότι η απόρριψη θερμότητας από το ψυγείο, προς ένα μέσο που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία (αέρας δωματίου), είναι απλά ένα απαραίτητο στάδιο της διεργασίας και όχι ο σκοπός της. Εάν ένα συνηθισμένο ψυγείο τοποθετηθεί στο παράθυρο ενός σπιτιού με την πόρτα του ανοικτή προς το εξωτερικό του σπιτιού, τότε θα λειτουργήσει σαν αντλία θερμότητας. Αυτό θα συμβεί, αφού θα προσπαθήσει να ψύξει τον εξωτερικό αέρα αντλώντας θερμότητα από αυτόν και αποβάλλοντας τη θερμότητα αυτή στο εσωτερικό του σπιτιού, διαμέσου των σπειρών που βρίσκονται στο πίσω μέρος του (Σχήμα 2).
Η αποτελεσματικότητα μιας αντλίας θερμότητας εκφράζεται με τον συντελεστή λειτουργίας (Coefficient of Performance), ο οποίος συμβολίζεται με COP και ορίζεται ως εξής:

 

 

 

Σημειώνεται ότι η τιμή του συντελεστή COP μπορεί να είναι μεγαλύτερη της μονάδας. Δηλαδή, το ποσό θερμότητας που αφαιρείται από τον χώρο ψύξης (εξωτερικό περιβάλλον) μπορεί να είναι μεγαλύτερο από το έργο εισόδου και συνεπώς της καταναλισκόμενης (ηλεκτρικής) ενέργειας, την οποία και ο καταναλωτής πληρώνει (Σχήμα 3). Αυτό βρίσκεται σε αντίθεση με τον συντελεστή θερμικής λειτουργίας, για παράδειγμα τον βαθμό απόδοσης ενός ηλεκτρικού θερμαντικού σώματος, η τιμή του οποίου δεν μπορεί να ξεπεράσει τη μονάδα. Το γεγονός ότι η τιμή του συντελεστή λειτουργίας COP μπορεί να υπερβεί τη μονάδα, βεβαίως και δεν αναιρεί το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα της αρχής διατήρησης της ενέργειας, αφού η αντλία θερμότητας δεν δημιουργεί ενέργεια. Απλά μεταφέρει την ενέργεια από κάποιο μέσο (π.χ. το ψυχρό εξωτερικό περιβάλλον) σε κάποιο άλλο (π.χ. στο θερμό εσωτερικό χώρο ενός σπιτιού). Ο βαθμός αποτελεσματικότητας της μεταφοράς αυτής της ενέργειας αντικατοπτρίζεται από τον συντελεστή λειτουργίας. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του κλιματιζόμενου και του εξωτερικού χώρου, τόσο ο συντελεστής COP μειώνεται, ενώ για την ίδια αυτή θερμοκρασιακή διαφορά, ο COP βελτιώνεται όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του κλιματιζόμενου χώρου (χώρος υψηλής θερμοκρασίας).
Οι αερόψυκτες αντλίες θερμότητας, οι οποίες αντλούν θερμότητα από τον αέρα του περιβάλλοντος, έχουν συντελεστή λειτουργίας COP που κυμαίνεται από 2 έως 4. Οι υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας (αντλούν θερμότητα από κάποια πηγή νερού) έχουν συντελεστή απόδοσης COP που κυμαίνεται μεταξύ 3 και 5.
Τα συστήματα κλιματισμού είναι στην ουσία ψυγεία των οποίων ο χώρος ψύξης είναι ένα δωμάτιο ή ένα κτίριο, αντί του χώρου αποθήκευσης τροφίμων ενός κοινού ψυγείου. Ένα κλιματιστικό παράθυρο ψύχει το δωμάτιο απορροφώντας θερμότητα από αυτό και αποβάλλοντάς την προς τον εξωτερικό χώρο. Η ίδια μονάδα τον χειμώνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν αντλία θερμότητας, εάν εγκατασταθεί ανάποδα. Στην περίπτωση αυτή, το κλιματιστικό θα αντλεί θερμότητα από το εξωτερικό του σπιτιού και θα το διοχετεύει στο εσωτερικό. Τα κλιματιστικά που φέρουν κατάλληλη διάταξη ελέγχου και βαλβίδα που μπορεί να αντιστρέφεται, λειτουργούν σαν συστήματα ψύξης το καλοκαίρι και σαν συστήματα θέρμανσης τον χειμώνα.
Τα δομικά στοιχεία μιας αντλίας θερμότητας είναι τα εξής:
1) Το τμήμα συμπιεστή – συμπυκνωτή, που απορροφά ή απορρίπτει θερμότητα από ή προς το περιβάλλον.
2) Το τμήμα ανεμιστήρα – ατμοποιητή, που απορροφά ή προσθέτει θερμότητα από ή προς τον εσωτερικό χώρο.
3) Ο μηχανισμός αντιστροφής, ο οποίος αποτελείται από μία τετράοδη βαλβίδα, που αναστρέφει τη ροή του ψυκτικού μέσου έτσι ώστε να έχουμε ψύξη ή θέρμανση, ανάλογα με τον επιθυμητό τρόπο λειτουργίας.
4) Οι αυτοματισμοί για τον έλεγχο και τη λειτουργία του συστήματος θέρμανσης ή ψύξης.
5) Η συμπληρωματική ηλεκτρική αντίσταση, που ενεργοποιείται όταν η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα είναι πολύ χαμηλή και ο συντελεστής λειτουργίας COP γίνεται μικρότερος της μονάδας.
Η κατηγοριοποίηση των αντλιών θερμότητας μπορεί να γίνει με βάση:
• Το μέσο από όπου αντλείται και το μέσο όπου αποβάλλεται η θερμότητα. Άρα διακρίνονται στις εξής:
α) Αέρα – Αέρα (Α – Α)
β) Αέρα – Νερού (Α – Ν)
γ) Νερού – Νερού (Ν – Ν)
δ) Νερού – Αέρα (Ν – Α)
ε) Εδάφους – Αέρα (Ε – Α)
στ) Εδάφους – Νερού (Ε – Ν)
• Το είδος της κινητήριας μηχανής:
α) Ηλεκτροκίνητοι συμπιεστές.
β) Συμπιεστές κινούμενοι από μηχανές εσωτερικής καύσης (πετρέλαιο, ατμός, αέριο, κ.λπ.).
γ) Συμπιεστές απορρόφησης και προσρόφησης (θερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας).
• Τη θέση των διαφόρων μηχανισμών της:
α) Ενιαίες ή αυτόνομες (Compact). Όλοι οι μηχανισμοί βρίσκονται σε κοινό κέλυφος.
β) Διαιρούμενες ή διμερούς τύπου (Split units). Ο ατμοπαραγωγός (ή ο συμπυκνωτής) είναι ανεξάρτητος του υπολοίπου συστήματος.
• Τον τρόπο αναστροφής της λειτουργίας τους:
α) Σταθερού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η ροή του ψυκτικού μέσου διατηρείται σταθερή και αλλάζει η θέση των μέσων προσαγωγής ή απαγωγής της θερμότητας.
β) Μεταβλητού κυκλώματος ψυκτικού μέσου. Η αναστροφή της ροής του ψυκτικού μέσου γίνεται με χρήση της τετράοδης βαλβίδας.
Ακολούθως, παρατίθεται μία αντιπροσωπευτική εφαρμογή, η οποία θα αναδείξει το οικονομικό πλεονέκτημα μιας αντλίας θερμότητας, έναντι σε ένα ηλεκτρικό θερμαντικό σώμα, όπως είναι το αερόθερμο, το ηλεκτρικό καλοριφέρ, η θερμάστρα υπερύθρων κ.λπ. Για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων ενός σπιτιού στους 20°C χρησιμοποιείται μία αντλία θερμότητας. Μία μέρα που η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα έχει πέσει στους -2°C, οι θερμικές απώλειες του σπιτιού υπολογίζονται ότι είναι 22 kW.
Προφανώς, τις θερμικές αυτές απώλειες καλείται να καλύψει η συσκευή θέρμανσης, στην περίπτωση αυτή η αντλία θερμότητας, προκειμένου να διατηρηθεί το σπίτι σε μία σταθερή θερμοκρασία. Θεωρώντας ότι η συγκεκριμένη αντλία έχει COP ίσο με 2,5 υπολογίζουμε τα ακόλουθα:
Η (ηλεκτρική) ισχύς που καταναλώνεται από την αντλία θερμότητας υπολογίζεται από τον ορισμό του συντελεστή λειτουργίας:

 

 

 

Το σπίτι χάνει θερμότητα με ρυθμό 22 kW. Εάν η θερμοκρασία του σπιτιού πρέπει να διατηρηθεί σταθερή στους 20°C, τότε η αντλία θερμότητας πρέπει να παρέχει στο σπίτι θερμότητα με τον ίδιο ρυθμό, δηλαδή 22 kW. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από τον εξωτερικό αέρα υπολογίζεται από την εφαρμογή της αρχής διατήρησης της ενέργειας στην κυκλική διάταξη:

 

 

Αυτό σημαίνει ότι από το ποσό των 22 kW θερμικής ισχύος που παρέχονται στο σπίτι, μόνο τα 48000 kJ/h προέρχονται από τον εξωτερικό αέρα. Συνεπώς, από τα 22 kW κοστίζουν μόνο τα 8,8 kW, τα οποία παρέχονται από την αντλία θερμότητα με τη μορφή ηλεκτρικού έργου στον συμπιεστή.
Εάν, αντί για αντλία θερμότητας, χρησιμοποιείτο μία θερμάστρα ηλεκτρικής αντίστασης, τότε ολόκληρο το ποσό των 22 kW θα έπρεπε να παρασχεθεί στην αντίσταση με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό συμβαίνει γιατί στην ηλεκτρική αντίσταση η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα με λόγο ένα προς ένα. Αυτό θα σήμαινε ότι το ποσό που θα ξοδευόταν για θέρμανση θα ήταν 2,5 φορές υψηλότερο, όσο δηλαδή και ο συντελεστής λειτουργίας COP.
Η εγκατάσταση αντλίας θερμότητας είναι οικονομική όταν υπάρχουν:
• Ευνοϊκά τιμολόγια ρεύματος,
• Υψηλό κόστος καυσίμου για λέβητες – καυστήρες,
• Υψηλός ετήσιος αριθμός ωρών λειτουργίας,
• Ανάγκη θέρμανσης τον χειμώνα και ψύξης το καλοκαίρι.