ΜcQUAY HELLAS

Συνδυασμένο σύστημα αντλίας θερμότητας και ηλιακού συλλέκτη
Του Κωνσταντίνου Παπακωνσταντίνου,
Μηχανολόγου Μηχανικού, Υπεύθυνου Δικτύου Πωλήσεων, McQuay Hellas
Εισαγωγή
Είναι γνωστό πως ο οικιακός κλιματισμός με σύστημα νερού (αντλία θερμότητας και τοπικές κλιματιστικές μονάδες) πλεονεκτεί έναντι των συστημάτων κλιματισμού απευθείας εκτόνωσης (μεμονωμένες μονάδες ή συστήματα μεταβλητού όγκου ψυκτικού ρευστού).
Τα πλεονεκτήματα έχουν να κάνουν με ότι αφορά στην ποιότητα του κλιματισμού, το συνολικό κόστος εγκατάστασης, τις δυνατότητες κεντρικού ελέγχου, την ασφάλεια και την ευκολία συντήρησης. Ένας επιπρόσθετος παράγοντας που μπορεί πλέον να λαμβάνεται υπόψη από τους μελετητές και κατασκευαστές είναι η δυνατότητα συνδυασμού του συστήματος κλιματισμού με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και πιο συγκεκριμένα με την τεχνολογία των ηλιακών συλλεκτών.
Το ηλιακό δυναμικό της Ελλάδας είναι τέτοιο ώστε η εγκατάσταση ηλιακών συλλεκτών για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης να είναι μία ιδιαίτερα ελκυστική από τεχνική και οικονομική άποψη λύση που εφαρμόζεται πλέον στην πλειονότητα των νέων οικιών. Η συνδυασμένη εφαρμογή των συστημάτων ΑΠΕ με τα συστήματα κλιματισμού με νερό δίνει πλέον την δυνατότητα για  παύση της εξάρτησης από πετρέλαιο και φυσικό αέριο και καλύπτει τις θερμικές ή ψυκτικές ανάγκες της οικίας με τον πλέον οικονομικό και ταυτόχρονα φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο.
Στο σχήμα φαίνεται μία τυπική εγκατάσταση συνδυασμένου συστήματος κλιματισμού (αντλία θερμότητας αέρα-νερού) με ΑΠΕ (ηλιακός θερμικός συλλέκτης). Ο τρόπος λειτουργίας του συστήματος είναι ο ακόλουθος:
Τρόπος λειτουργίας
Η ιδιαιτερότητα του προτεινόμενου συστήματος έχει να κάνει με την χειμερινή λειτουργία. Σε αυτή την περίπτωση, η αντλία θερμότητας παράγει θερμό νερό, θερμοκρασίας έως και 55°C για την κάλυψη των θερμικών αναγκών της οικίας. Ο ηλιακός συλλέκτης παράγει θερμό νερό χρήσης, θερμοκρασίας έως 80-90°C.
Το νερό που παράγει η αντλία θερμότητας οδεύεται προς το θερμοδοχείο τριπλής ενέργειας του ηλιακού συλλέκτη. Διακρίνουμε δύο πιθανά σενάρια: Στην πρώτη περίπτωση το νερό στο θερμοδοχείο βρίσκεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτή του νερού της αντλίας θερμότητας. Σε αυτή την περίπτωση η αντλία θερμότητας συνεισφέρει θερμικό φορτίο για την παραγωγή θερμού νερού χρήσεως, χωρίς να απαιτείται η χρήση ηλεκτρικής αντίστασης.
Στην δεύτερη περίπτωση που η θερμοκρασία στο θερμοδοχείο είναι υψηλότερη από αυτή της αντλίας θερμότητας, ο ηλιακός συλλέκτης συνεισφέρει θερμικό φορτίο για την κάλυψη των θερμικών αναγκών του κτιρίου. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση στη λειτουργία της αντλίας θερμότητας, και παράλληλα μειώνονται οι απώλειες προς το περιβάλλον που θα είχε το αποθηκευμένο νερό στο θερμοδοχείο.
Πιθανές αντιρρήσεις που μπορεί να τεθούν σε ότι αφορά στην αξιοπιστία του συστήματος κατά την χειμερινή λειτουργία έχει να κάνουν με την δυνατότητα της αντλίας θερμότητας να παράγει ικανό φορτίο για κάλυψη τόσο των αναγκών θέρμανσης χώρου και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Η απάντηση σε αυτές είναι ότι οι νέας τεχνολογίας οικιακές αντλίες θερμότητας με συμπιεστές Inverter είναι σε θέση να παράγουν θερμικό φορτίο κοντά στο ονομαστικό ακόμα και σε ακραίες θερμοκρασιακές συνθήκες (θερμοκρασία περιβάλλοντος -7°C) και μπορούν να αντεπεξέλθουν ικανοποιητικά στις αυξομειώσεις φορτίου που προκύπτουν  λόγω μίας ξαφνικής ζήτησης σε θερμό νερό χρήσης.
Κατά την θερινή λειτουργία, η αντλία θερμότητας λειτουργεί ανεξάρτητα από τον ηλιακό συλλέκτη παράγωντας ψύξη για το κτίριο, ενώ ο ηλιακός συλλέκτης παράγει θερμό νερό χρήσης. Αν προκύψει αυξημένη ζήτηση θερμού νερού χρήσης, αυτό θα καλυφθεί από την ηλεκτρική αντίσταση, η οποία ενεργοποιείται είτε αυτόματα είτε χειροκίνητα.
Πλεονεκτήματα συνδυασμένης εγκατάστασης
Αναλυτικά τα πλεονεκτήματα που έχει η προτεινόμενη συνδυασμένη εγκατάσταση αντλίας θερμότητας, ηλιακού συλλέκτη είναι τα ακόλουθα:
• Ελαχιστοποίηση κόστους λειτουργίας.
Είναι δεδομένο πως η λειτουργία της αντλίας θερμότητας είναι οικονομικότερη κατά περίπου 50%-60% σε σχέση με λέβητα πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Αυτό φαίνεται στο ακόλουθο παράδειγμα:
Α. Λειτουργία με λέβητα
Βαθμός απόδοσης λέβητα: 0.85.
Θερμογόνος δύναμη πετρελαίου:  34 ΜJ/l = 9.4 kWh/l.
Κόστος πετρελαίου: 0.55 ευρώ/l.
Κόστος παραγωγής 1 kWh θερμικού φορτίου = (1 x 0.55) / (0.85 x 9.4) = 0.069 ευρώ/kWh.
Σε περίπτωση λέβητα φυσικού αερίου, με δεδομένο ότι η τιμή του φυσικού αερίου είναι φθηνότερη κατά μέσο όρο κατά 20% σε σχέση με την τιμή του πετρελαίου ανά μονάδα ενέργειας, το αντίστοιχο κόστος υπολογίζεται σε 0.055 ευρώ/kWh.
B. Λειτουργία με αντλία θερμότητας
Συντελεστής συμπεριφορά (COP): 2.8.
Κόστος ηλεκτρικής ενέργειας: 0.07 ευρώ/kWh.
Κόστος παραγωγής 1 kWh θερμικού φορτίου = (1 x 0.07) / 2.8 = 0.025 ευρώ/kWh.
Παράλληλα με την οικονομικότερη κάλυψη του θερμικού φορτίου, η συνδυασμένη τοποθέτηση αντλίας θερμότητας ηλιακού συλλέκτη συνεπάγεται ελαχιστοποίηση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας για παραγωγή θερμού νερού χρήσης. Βοηθητική πηγή θερμότητας (ηλεκτρική αντίσταση) θα χρησιμοποιείται μόνο στις ελάχιστες καλοκαιρινές μέρες που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια.
Ένας ακόμα τεχνοοικονομικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη, είναι πως με το προτεινόμενο σύστημα αποφεύγουμε να διατηρούμε αποθηκευμένο θερμό νερό σε υψηλές θερμοκρασίες μειώνοντας έτσι τις απώλειες προς το περιβάλλον κατά τη διάρκεια του χειμώνα.
• Οικονομία χώρου.
Η αντλία θερμότητας μπορεί να τοποθετηθεί στο δώμα όπως και ο ηλιακός συλλέκτης ή στο ισόγειο σε ανοικτό χώρο, εξοικονομώντας έτσι χώρο που προοριζόταν για το λεβητοστάσιο και φυσικά δεν υπάρχει ανάγκη για καμινάδα και δεξαμενή πετρελαίου.
• Ευελιξία επιλογών για τον μηχανολόγο και τον αρχιτέκτονα.
Οι αντλίες θερμότητας αέρα – νερού μπορούν να συνδυαστούν με πληθώρα τύπων τοπικών κλιματιστικών μονάδων (δαπέδου, οροφής, ψευδοροφής, τοίχου, κασέτα) δίνοντας έτσι πληθώρα λύσεων στον μηχανολόγο ή και τον αρχιτέκτονα του έργου.
• Ενσωμάτωση γεωθερμίας.
Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να συνδυαστεί και με υδρόψυκτη αντλία θερμότητας κάνοντας χρήση γεωθερμικής ενέργειας, ενσωματώνοντας έτσι περισσότερο τις ΑΠΕ στην οικοδομή.
• Συνδυασμός με ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης.
Η αντλία θερμότητας λόγω του ότι παράγει το θερμό νερό σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (30-55°C) μπορεί να συνδυαστεί με σύστημα ενδοδαπέδιας θέρμανσης.
Πέρα από τα παραπάνω, δε θα πρέπει να παραβλεφθεί η φιλικότητα του συστήματος κλιματισμού με νερό έναντι συστημάτων απευθείας εκτόνωσης:
– Ηπιότερες θερμοκρασίες του νερού έναντι του ψυκτικού ρευστού.
– Αποφυγή όδευσης σωληνώσεων με ψυκτικό ρευστό εντός της οικίας. Ο κλιματισμός γίνεται με νερό.
– Δυνατότητες κεντρικού ελέγχου που σε συνδυασμό με νέες αντλίες θερμότητας με συμπιεστή Inverter καθιστούν τα συστήματα κλιματισμού με νερό ισοδύναμα με τα συστήματα μεταβλητής ροής ψυκτικού ρευστού (VRF) σε ότι αφορά στους αυτοματισμούς.
Συμπεράσματα
Σύμφωνα με τα παραπάνω, προκύπτει πως ο οικιακός κλιματισμός με νερό προσφέρει πληθώρα δυνατοτήτων, με κυριότερη την δυνατότητα υλοποίησης πρωτοποριακών συστημάτων συνδυασμού κλιματισμού και ηλιακής ενέργειας. Το προτεινόμενο σύστημα αντλίας θερμότητας – ηλιακού συλλέκτη είναι σε θέση να καλύψει ταυτόχρονα τις ανάγκες κλιματισμού (θέρμανσης, ψύξης) και θερμού νερού χρήσης, σε μία οικία, με οικονομικό, ενεργειακά αποδοτικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Παράλληλα η ευελιξία που προσφέρει ο κλιματισμός με νερό δίνει τη δυνατότητα στον μηχανικό μελετητή ή τον αρχιτέκτονα του έργου να επιλέξει ανάμεσα σε πολλές τεχνικές λύσεις για τις τοπικές κλιματιστικές μονάδες, ενώ υπάρχει πάντα η δυνατότητα συνδυασμού με γεωθερμία.