Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Π.Π.
Τεχνικός διευθυντής Cosmosolar ΕΠΕ
Οι συνολικές ενεργειακές καταναλώσεις ενέργειας στα Ευρωπαϊκά κτίρια (νοικοκυριά και υπηρεσίες) ήταν περίπου 4000 TWh το 2012, ποσό που αντιστοιχεί στο 40 % της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στην Ευρώπη. Παράλληλα, σύμφωνα με το Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας, το 70 % της ενέργειας που καταναλώνεται στα κτήρια προέρχεται από ορυκτά καύσιμα. Τα πλεονεκτήματα της εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή ακτινοβολία, για την κάλυψη των φορτίων θέρμανσης και ψύξης χώρων και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης είναι τόσο περιβαλλοντικά, καθώς συνδέονται με μειωμένες εκπομπές CO2 και ρυπαντών, όσο και οικονομικά, καθώς μπορούν να οδηγήσουν σε μειωμένο λειτουργικό κόστος των κτηρίων.
H ηλιακή ενέργεια είναι μια από τις κυριότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, βρίσκοντας ευρεία εφαρμογή για την κάλυψη των απαιτήσεων για θέρμανση χώρων και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Ωστόσο, η διαστασιολόγηση των ηλιακών συστημάτων προκειμένου να καλύπτουν τις υψηλές ανάγκες θέρμανσης κατά το χειμώνα, συχνά έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση υψηλού πλεονάσματος θερμικής ενέργειας τη θερινή περίοδο, όταν οι ανάγκες θέρμανσης χώρου είναι μηδαμινές και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας πολύ υψηλή. Παράλληλα, κατά το καλοκαίρι οι ψυκτικές ανάγκες είναι πολύ υψηλές. Κατ’ επέκταση, ένας τρόπος για την αξιοποίηση του πλεονάσματος ηλιακής ενέργειας με σημαντικά περιθώρια εξοικονόμησης ηλεκτρισμού, είναι η εφαρμογή τεχνολογιών ηλιακής ψύξης.
Το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα SunClim επικεντρώνεται στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογικών εφαρμογών αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας με υψηλή απόδοση και την ενσωμάτωσή τους σε ένα απλό και ευέλικτο σύστημα ηλιακής θέρμανσης και ψύξης. Οι συνιστώσες του συστήματος αποτελούνται από:
1) Ενισχυμένης απόδοσης επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες υψηλής θερμοκρασίας.
2) Σύστημα συνδυασμένης θέρμανσης και ψύξης βασιζόμενο στη λειτουργία των κύκλων συμπίεσης ατμού (Vapor Cooling Cycle-VCC) και ακροφυσίου (Ejector Cooling Cycle-ECC).
3) Στοιχεία θέρμανσης/ψύξης οροφής με ακτινοβολία χαμηλής θερμοκρασίας.
4) Νανορευστά βελτιστοποιημένης θερμικής συμπεριφοράς στο κύκλωμα θέρμανσης/ψύξης.
Το σύστημα στην ουσία συνιστά συνδυασμό μίας συμβατικής αντλίας θερμότητας η οποία μπορεί να λειτουργεί για την κάλυψη θερμικών και ψυκτικών φορτίων, με το σύστημα των ηλιακών συλλεκτών και το σύστημα ψύξης με ακροφύσιο. Το βασικό πλεονέκτημα του συστήματος SunClim είναι η δυνατότητα που παρέχει για κάλυψη μέρους των θερμικών και ψυκτικών αναγκών του κτηρίου μέσω της αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Μπορεί έτσι να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και κόστους καθώς και σε μείωση των εκπομπών CO2, καθώς μειώνεται η κατανάλωση ηλεκτρισμού από την αντλία θερμότητας.
Η αρχή λειτουργίας του συστήματος είναι απλή. Πιο συγκεκριμένα, κατά τους χειμερινούς μήνες, η θερμότητα που παράγεται από τους συλλέκτες αξιοποιείται για την κάλυψη των θερμικών φορτίων.
Αντίστοιχα, κατά τους θερινούς μήνες, η θερμότητα των συλλεκτών οδηγείται στο σύστημα ECC, μέσω του οποίου παράγεται ψύξη (ηλιακή ψύξη).
Σε κάθε περίπτωση, η συμβατική αντλία θερμότητας που είναι ενσωματωμένη στο σύστημα μπορεί να λειτουργεί ως εφεδρική (back up) μονάδα παραγωγής θερμότητας και ψύξης, στην περίπτωση που η διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί για την πλήρη κάλυψη των θερμικών και ψυκτικών φορτίων. Πρόκειται επομένως για ένα υβριδικό σύστημα που βασίζεται στην αξιοποίηση ηλιακής και ηλεκτρικής ενέργειας.
Περιγραφή συστήματος Sunclim
Το σύστημα Sunclim είναι ένα οικιακής χρήσης, υβριδικό σύστημα παραγωγής θερμότητας και ψύξης μέσω εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας, το οποίο βασίζεται στο συνδυασμό ενός κύκλου ψύξης ακροφυσίου (Ejector cooling cycle-ECC) και μιας αντλίας θερμότητας η οποία υλοποιεί έναν κύκλο συμπίεσης ατμού (Vapor compression cycle-VCC).
Το σύστημα τροφοδοτείται από θερμότητα που παράγεται από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες υψηλής απόδοσης και θερμοκρασίας 70-90℃.
Η θερμότητα των συλλεκτών μπορεί να αξιοποιηθεί απευθείας είτε για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους είτε για θέρμανση χώρου τη χειμερινή περίοδο. Εναλλακτικά, κατά τη θερινή περίοδο, η θερμότητα των συλλεκτών παρέχεται στο κύκλωμα ECC για την παραγωγή ψύξης.
Η τεχνολογία ECC βασίζεται στη χρήση μιας διάταξης συγκλίνοντος-αποκλίνοντος ακροφυσίου η οποία υποκαθιστά το μηχανικό συμπιεστή των συμβατικών αντλιών θερμότητας μηχανικής συμπίεσης προσφέροντας τη δυνατότητα παραγωγής ηλιακής θερμικής ψύξης με ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, η ηλιακή θερμότητα χρησιμοποιείται για την παραγωγή υψηλής πίεσης αερίου το οποίο εισερχόμενο στη διάταξη ακροφυσίου παρασύρει το αέριο χαμηλής πίεσης που εξέρχεται από τον ατμοποιητή ψύξης του συστήματος. Σε περίπτωση ανεπάρκειας της παραγόμενης θερμότητας από τους ηλιακούς συλλέκτες, τίθεται σε λειτουργία η αντλία θερμότητας-VCC, η οποία δρα επικουρικά με στόχο την κάλυψη των θερμικών και ψυκτικών αναγκών.
