ΑΝΤΛΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΟΣ

Η Αντλία Θερμότητας έχει την ικανότητα να παράγει θερμική ενέργεια Q, η οποία συντίθεται από τρεις συνιστώσες: τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, τη επιθυμητή θερμοκρασία ρευστού εισαγωγής στο σύστημα απόδοσης - απόληψης θερμότητας στον κλιματιζόμενο χώρο και την ισχύ του συμπιεστή της Αντλίας Θερμότητας.

Από πειραματικές μετρήσεις προέκυψε ότι ο συντελεστής απόδοσης μιας Αντλίας Θερμότητας (COP) εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, οι σημαντικότεροι των οποίων είναι:

  • Η διαφορά θερμοκρασίας (ΔΤ) μεταξύ παραγόμενου από την Αντλία Θερμότητας θερμικού ρευστού και της πηγής θερμότητας (που μπορεί να είναι ο περιβάλλων αέρας ή κάποια φυσική υδάτινη μάζα). Δηλαδή η διαφορά θερμοκρασίας συμπυκνωτή και εξατμιστή.  Όσο μικρότερο είναι αυτό το ΔΤ, τόσο μεγαλύτερο είναι το COP.
  • Η σταθερότητα θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας, καθώς και η τιμή αυτής, ιδιαίτερα στο μεταξύ των 0ºC και 30ºC διάστημα.
ψυκτικός κύκλος γεωθερμικής αντλίας θερμότητας
αντλία θερμότητας

Στο παραπάνω διάγραμμα είναι αποτυπωμένοι δύο κύκλοι. Ο μεγάλος κύκλος 1,2,3,4,1 αφορά θερμοκρασία εξάτμισης 5ºC και θερμοκρασία συμπύκνωσης 35ºC, ενώ ο μικρότερος κύκλος 1’,2’,3’,4’,1’ αναφέρεται σε θερμοκρασίες10ºC και 30ºC. Παρατηρούμε ότι η ηλεκτρική κατανάλωση στον δεύτερο κύκλο w’ είναι σχεδόν η μισή από αυτή του πρώτου w, ενώ η ενέργεια θέρμανσης ή ψύξης δεν ελαττώνεται σε σημαντικό ποσοστό. Αυτός είναι και ο λόγος όπου οι Γ.Α.Θ. σε συνδυασμό με μια Ενδοδαπέδια ή Επιτοίχια Θέρμανση έχουν σημαντικά πιο αποδοτική λειτουργία.

Το σημαντικότερο πρόβλημα στην αποδοτική χρήση Αντλιών Θερμότητας είναι η εξασφάλιση μιας πηγής θερμότητας, που να παρέχει θερμική ενέργεια με σταθερή ισχύ και σταθερή θερμοκρασία καθ’ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας της.
Για την εξασφάλιση της πηγής αυτής υπάρχουν για ένα κτίριο τέσσερις επιλογές:
α) Οι αέριες μάζες που περιβάλλουν το κτίριο
β) Οι τυχόν υπάρχουσες επιφανειακές υδάτινες μάζες
γ) Οι τυχόν υπάρχουσες υπόγειες υδάτινες μάζες
δ) Οι υπεδαφικές μάζες

Επιλογές οι οποίες διαχωρίζουν τις Αντλίες Θερμότητας σε τεχνολογίες όπως:

  • αέρα - νερού
  • νερού - νερού και
  • άμεσης εκτόνωσης, αέρα - αέρα

Οι αέριες μάζες (Αντλίες Θερμότητας αέρα – νερού) είναι η κατασκευαστικά πιο εύκολη λύση, αλλά η μεγάλη αστάθεια της θερμοκρασίας τους έχει ως συνέπεια το χαμηλό ετήσιο συντελεστή απόδοσης της Αντλίας Θερμότητας σε σύγκριση με τις Γεωθερμικές Αντλίες νερού (νερού-νερού). Επίσης, στις εγκαταστάσεις Αντλιών Θερμότητας άμεσης εκτόνωσης (αέρα - αέρα), ο αέρας με τη σύστασή του (υγρασία, σκόνη, οξυγόνο, όξινα συστατικά) προκαλεί αυξημένα έξοδα συντήρησης της εγκατάστασης, ενώ τα εξαρτήματα τροφοδοσίας αέρα επιβαρύνουν το κτίριο από πλευράς χώρου και αισθητικής. Εξάλλου, η δημιουργία πάγου στους ατμοποιητές το χειμώνα και η αδυναμία του περιβάλλοντα αέρα να απορροφά και να αποθηκεύει την απορριπτόμενη ψυκτική ή θερμική ενέργεια της εγκατάστασης δημιουργούν, επίσης, προβλήματα λειτουργίας και μειώνουν την απόδοση της Αντλίας Θερμότητας κατά τη διάρκεια ακραίων μετεωρολογικών φαινομένων.

Στις περιπτώσεις β, γ και δ χρησιμοποιείται νερό για τη μεταφορά της θερμότητας από την πηγή στην Αντλίας Θερμότητας (νερού - νερού). Η συσκευή αυτή είναι σχεδιασμένη να δέχεται νερό αντί αέρα, έχει απλούστερη κατασκευή και εξάλλου, έναντι του αέρα, το νερό έχει σαφή πλεονεκτήματα ως φορέας θερμότητας, κυρίως λόγω της μεγαλύτερης θερμοχωρητικότητας του και της σταθερής πυκνότητας του.

Το μειονέκτημα των υδάτινων μαζών είναι ότι σπάνια βρίσκονται διαθέσιμες στην άμεση γειτονία του κτιρίου σε ποσότητες επαρκείς για να παρέχουν την απαιτούμενη θερμική ενέργεια. Ιδιαίτερα το επιφανειακό νερό (περίπτωση 2) στην Ελλάδα βρίσκεται με επαρκείς παροχές κοντά σε κτίρια εξαιρετικά σπάνια και μόνο όταν αυτά είναι κτισμένα πολύ κοντά στην ακτογραμμή ή στις όχθες μιας λίμνης, μπορούν να προμηθεύονται θερμική και ψυκτική ενέργεια από το θαλασσινό ή λιμναίο νερό. Όμως, τα επιφανειακά νερά υπόκεινται, κατά τη διάρκεια του έτους, σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας τους, ενώ επιπλέον το θαλασσινό νερό, λόγω της αλμυρότητας του, απαιτεί δαπανηρούς εναλλάκτες θερμότητας, ανθεκτικούς στη διαβρωτική επίδραση των αλάτων.

Το υπόγειο νερό αποτελεί τη βέλτιστη λύση για την κάλυψη των θερμικών και ψυκτικών αναγκών ενός κτιρίου με Αντλία Θερμότητας, αρκεί να είναι διαθέσιμο με μια ελάχιστα σταθερή παροχή. Και αυτό, διότι καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους έχει θερμοκρασία σταθερή ή σχεδόν σταθερή. Το θερμικό περιεχόμενο του είναι εν μέρει ηλιακής και εν μέρει γήινης προέλευσης.
Όταν υπόγειο νερό από πηγάδι ή γεώτρηση, με μια μικρή, έστω, παροχή μόνο 5m3/h=1,38kg/sec και θερμοκρασίας 18ºC, οδηγηθεί στον ατμοποιητή της Αντλίας Θερμότητας και υποστεί ψύξη κατά 5ºC (18 - 13ºC), θα αποδώσει θερμική ισχύ :



Με την ισχύ αυτή είναι δυνατό να θερμανθεί κτίριο με θερμαινόμενους χώρους εμβαδού μεταξύ 250 – 500 m2 περίπου.

Έτσι, εάν χρησιμοποιηθούν συστήματα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών, π.χ. 40 – 50ºC και διατίθεται  για την Αντλία Θερμότητας θερμική πηγή θερμοκρασίας 17 – 20ºC, όπως συμβαίνει με τις υπεδαφικές θερμοκρασίες (σε βάθος 0 – 150 m) στην Ελλάδα, μπορεί να επιτευχθεί συντελεστής απόδοσης Αντλίας Θερμότητας πάνω από 500% που είναι αισθητά υψηλότερος, απ’ ό,τι λ.χ. στην Ελβετία ή την Αυστρία, όπου οι υπεδαφικές θερμοκρασίες είναι 8 – 12ºC.

Τέλος στις περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει διαθέσιμο υπόγειο νερό, τότε το ρευστό που κυκλοφορεί στο κλειστό κύκλωμα ενός Γεωθερμικού Εναλλάκτη είναι αυτό που θα συνδεθεί με την Αντλία Θερμότητας και θα λειτουργεί ως μεταφορέας θερμότητας από το υπέδαφος στον ατμοποιητή.