πως λειτουργεἰ η αντλἰα θερμὀτητος

 

Αντλίες θερμότητας ονομάζουμε τις συσκευές που μας παρέχουν την δυνατότητα να μεταφέρουμε ενέργεια από έναν χώρο χαμηλής, σε έναν χώρο υψηλότερης θερμοκρασίας.














Οπως ακριβώς δηλαδή στην υδραυλική, το νερό πηγαίνει μόνο του (ρέει) από το ψηλό σημείο στο χαμηλό (λόγω βαρυτητας) και χρειαζόμαστε μια αντλία νερού για να κάνουμε την αντίστροφη κίνηση (να ανεβάσουμε το νερό ψηλά), έτσι και η θερμότητα, "ρέει" από μόνη της από το σώμα υψηλής θερμοκρασίας (ζεστό) στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας (κρύο) και χρειαζόμαστε μια "αντλία θερμότητας" για να αντιστρέψουμε την κίνηση της ενέργειας και να την μεταφέρουμε από την χαμηλή θερμοκρασία (κρύο) στην υψηλή (ζεστό).





Η λειτουργία των αντλιών θερμότητας, βασίζεται στον ψυκτικό κύκλο, έναν αέναο κύκλο εκτόνωσης και συμπίεσης ενός ρευστού όπως στο παρακάτω σχήμα.

Το ρευστό (ψυκτικό μέσο) που ρέει μέσα στις σωλήνες, στη θέση 1, είναι υγρό σε μεγάλη πίεση και θερμοκρασία, μετά το συμπιεστή. Στη θέση 1, αποβάλλεται θερμότητα, ενώ μετά το ψυκτικό μέσο, εκτονώνεται (μειώνεται η πίεση του) στην εκτονωτική βαλβίδα (2), και εξατμίζεται (λόγω της πτώσης της πίεσης) στον εξατμιστή στη θέση 3, όπου ψύχεται και προσλαμβάνει θερμότητα. Στη συνέχεια το κρύο ψυκτικό μέσο, σε αέρια ακόμη μορφή, συμπιέζεται στον συμπιεστή, υγροποιείται, θερμαίνεται, αποβάλλει θερμότητα και ούτω κάθε εξής.

Το σημαντικό είναι ότι σε κάθε κύκλο, αποβάλλεται θερμότητα στη θέση 1 και προσλαμβάνεται στη θέση 3, άρα εφόσον ο κύκλος είναι διαρκής υπάρχει μια διαρκής μεταφορά θερμότητας από το σημείο 3 στο σημείο 1 και άρα με τον ψυκτικό κύκλο μπορούμε να μεταφέρουμε θερμότητα (ενέργεια) μεταξύ δυο σημείων, και αυτός είναι ο λόγος που οι συσκευές που λειτουργούν με τον τρόπο αυτόν ονομάζονται αντλίες θερμότητας.

Για να μπορέσουμε να εκμεταλευθούμε τη δυνατότητα άντλησης ενέργειας, θα πρέπει στα σημεία 1 και 3, η σωλήνα να έχει τέτοια μορφή, ώστε να μπορεί να προσλάβει και να αποβάλει ενέργεια το ρευστό ευκολότερα. Η πρόσληψη και η εναλλαγή ενέργειας, γίνεται μέσω ειδικών διατάξεων, που λέγονται εναλλάκτες θερμότητας. 

Οι εναλλάκτες θερμότητας, είναι συσκευές που επιτρέπουν την ανταλλαγή θερμότητας (ενέργειας) μεταξύ δύο ρευστών, που μπορεί να είναι υγρά ή αέρια. Ανάλογα με το είδος των ρευστών, οι εναλλάκτες θερμότητας χωρίζονται σε:


εναλλάκτες αέρα / αέρα, όπου τα δύο ρευστά που ανταλλάσουν θερμότητα είναι αέρια,






εναλλάκτες νερού / νερού, όπου τα δύο ρευστά είναι υγρά 









και τέλος εναλλάκτες νερού / αέρα, όπου τα ρευστά που ανταλλάσουν ενέργεια είναι από τη μία πλευρά ένα υγρό (νερό) και από την άλλη αέριο (αέρας).
Οι τελευταίοι αυτοί εναλλάκτες ονομάζονται στοιχεία και είναι ακριβώς ίδια με το ψυγείο του αυτοκινήτου σας, με τη διαφορά ότι μέσα στο στοιχείο δεν κυκλοφορεί νερό, αλλά ψυκτικό υγρό.





Η αντλία θερμότητας λοιπόν για να μπορεί να ανταλλάσει θερμότητα, θα πρέπει να διαθέτει από έναν εναλλάκτη στα σημεία 1 και 3 του ψυκτικού κύκλου, ώστε να μπορεί να προσλαμβάνει ενέργεια στο σημείο 1 και να την αποβάλλει στο σημείο 3. Οι εναλλάκτες της αντλίας, μπορεί να είναι σε κάθε σημείο (1 ή 3), εναλλάκτες του δεύτερου και του τρίτου τύπου.

Με βάση τους τύπους των εναλλακτών, έχουμε και για τις αντλίες θερμότητας, τις τρείς μεγάλες κατηγορίες:


1. Αντλίες θερμότητας αέρα / αέρα. Είναι αντλίες που διαθέτουν και στο σημείο 1 και στο σημείο 3 εναλλάκτη θερμότητας αέρα / ψυκτικού. Είναι τα γνωστά σε όλους μας κλιματιστικά μηχανήματα διαιρούμενου τύπου (split type). Ειδικά στον διαιρούμενο τύπο το ένα στοιχείο (εναλλάκτης στη θέση 3) βρίσκεται μέσα στο σπίτι μας και προσλαμβάνει ενέργεια (αφαιρεί θερμότητα / ψύχει τον χώρο) , και το άλλο σημείο (1) είναι επίσης εναλλάκτης ψυκτικού μέσου / αέρα και αποβάλλει θερμότητα έξω από το σπίτι μας. 










2. Αντλίες θερμότητας αέρα / νερού. Οι αντλίες αυτές στην μια πλευρά (σημείο 3) αντί για στοιχείο έχουν εναλλάκτη ψυκτικού μέσου / νερού και αφαιρούν θερμότητα (ψύχουν) νερό αντί για αέρα. Με τις αντλίες αυτές δηλαδή, μπορούμε να αντλούμε θερμότητα (και άρα να ψύχουμε) νερό και να την αποβάλλουμε στο περιβάλλον (όπως γίνεται και στα κλιματιστικά μηχανήματα της προηγούμενης κατηγορίας).




3. Αντλίες θερμότητας νερού / νερού, όπου και οι δύο εναλλάκτες είναι εναλλάκτες νερού, και το ψυκτικό μέσο μεταφέρει θερμότητα από τη μια μάζα νερού στην άλλη. Τέτοιες αντλίες, είναι οι υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας, και οι αντλίες νερού / νερού που χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις με γεωεναλλάκτη. (Αυτό που στην αγορά ονομάζουμε - λανθασμένα - γεωθερμία). Οι υδρόψυκτες αντλίες είναι πάρα πολύ ενδιαφέρουσες όταν είναι χρήσιμη ταυτόχρονα και η θέρμανση και η ψύξη.

Στην αγορά, ο όρος "Αντλία θερμότητας", χρησιμοποιείται μάλλον με λάθος τρόπο, αφού όλα τα κλιματιστικά μηχανήματα είναι αντλίες θερμότητας, απλώς διαφορετικού τύπου. Ο όρος αντλία θερμότητας, (heat pump) χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει τους ψύκτες (chillers - αντλίες θερμότητας που δεν αναστρέφουν τον κύκλο τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για ψύξη), με τις τις αντλίες θερμότητας που αναστρέφουν τον κύκλο τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για ψύξη και για θέρμανση). 



Ανάλογα με τη θέση των διαφόρων στοιχείων τους, οι αντλίες θερμότητας ταξινομούνται σε:

• Ενιαίες ή αυτόνομες (Compact) όπου όλοι οι μηχανισμοί βρίσκονται σε κοινό κέλυφος.
• Διαιρούμενες ή διμερούς τύπου (Split units). Ο ατμοποιητής (ή ο συμπυκνωτής) είναι ανεξάρτητος του υπολοίπου συστήματος.

Ανάλογα με το είδος της κινητήριας μηχανής, οι αντλίες θερμότητας ταξινομούνται σε

• Αντλίες με ηλεκτροκίνητους συμπιεστές
• Αντλίες με συμπιεστές κινούμενους από μηχανές εσωτερικής καύσης (πετρέλαιο, ατμός, αέριο κλπ)
• Αντλίες με συμπιεστές απορρόφησης και προσρόφησης ( θερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας).

Την τελευταία τριετία, ο όρος "αντλία θερμότητας", για τον περισσότερο κόσμο τείνει να αντικατασταθεί με τις αερόψυκτες αντλίες νερού (αντλίες αέρα / νερού) που έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για οικιακή χρήση. 


Αναστροφή κύκλου

Με την προσθήκη μιας δεύτερης εκτονωτικής βαλβίδας (που δεν λειτουργεί ως εκτονωτική, αλλά ως στένωση όταν δέχεται τη ροή ανάποδα) και μιας τετράοδης βάνας, οι σημερινές αντλίες θερμότητας μπορούν να ανατρέφουν τον κύκλο τους και να μεταφέρουν την θερμότητα προς την αντίθετη φορά.

Με τον τρόπο αυτόν, μπορούμε την ίδια αντλία θερμότητας να την χρησιμοποιούμε το χειμώνα για να μεταφέρουμε θερμότητα από έξω στο σπίτι, και το καλοκαίρι για να μεταφέρουμε τη θερμότητα από το σπίτι έξω. Οταν επιλέγουμε λειτουργία στο κλιματιστικό μας, στην ουσία χειριζόμαστε την τετράοδη βάνα του μηχανήματος για να αναστρέψουμε τη ροή του ψυκτικού.


Στοιχεία αντλιών θερμότητας.

Στην πράξη τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά όσο στη θεωρία, και οι αντλίες θερμότητας δεν είναι τόσο απλά μηχανήματα όσο απλή είναι η αρχή λειτουργίας τους. Εκτός από τα παραπάνω βασικά εξαρτήματα, μια αντλία θερμότητας περιέχει ηλεκτρονικές πλακέτες που επιτηρούν τη λειτουργία των τμημάτων της συσκευής, αισθητήρια για να μετράται η θερμοκρασία και η πίεση του ψυκτικού μέσου πριν και μετά το συμπιεστή, επιτηρητή φάσεων για την διακρίβωση της σωστής ηλεκτρικής παροχής, εξαρτήματα αυτοματισμού, χειριστήρια, οθόνες ενδείξεων κ.λ.π., τα οποία στα σύγχρονα εξελιγμένα μηχανήματα επεκτείνονται σε ρύθμιση στροφών των ανεμιστήρων των στοιχείων και διαθέτουν ενσωματωμένη ηλεκτρονική λογική για να αποφασίζουν κάθε στιγμή τις βέλτιστες ρυθμίσεις όλων των τμημάτων του μηχανήματος.



Τα συστατικά μέρη μιας σύγχρονης αντλίας θερμότητας αέρος με αναστροφή κύκλου είναι:

1. Ο συμπιεστής (κομπρεσέρ) που συμπιέζει το αέριο και του αυξάνει τη θερμοκρασία.

2. Ο συμπυκνωτής όπου συμπυκνώνεται το συμπιεσμένο αέριο και υγροποιείται αποβάλλοντας θερμότητα. 

3. Ο ανεμιστήρας του συμπυκνωτή που κινεί τον αέρα του περιβάλλοντος στο στοιχείο του συμπυκνωτή για να αποβάλλει το ψυκτικό την ενέργεια του (κατάσταση ψύξης)

4. Η βαλβίδα εκτόνωσης στην οποία το υγρό ψυκτικό μέσο εκτονώνεται και μετατρέπεται σε αέριο με παράλληλη μείωση της θερμοκρασίας του.

5. Ο εξατμιστής (ο εναλλάκτης νερού όπου εξατμίζεται το ψυκτικό υγρό και απορροφά ενέργεια από το νερό) όπου ψύχεται το νερό. 

6.α Αν η αντλία είναι αέρα / αέρα, τότε ο εξατμιστής είναι τύπου στοιχείου και υπάρχει ανεμιστήρας που κινεί τον αέρα του χώρου γύρω από τον εξατμιστή για να τον ψύξει.

6.β Αν η αντλία θερμότητας είναι αέρα / νερού, τότε αντί για ανεμιστήρα, η αντλία διαθέτει έναν κυκλοφορητή (ή αντλία inline σε μεγαλύτερα μεγέθη αντλιών) που θέτει σε κίνηση το νερό ώστε να ψυχθεί στον εναλλάκτη από το εξατμιζόμενο ψυκτικό μέσο.

7. Η τετράοδη βάνα που αναστρέφει τον κύκλο (και κατ' επέκταση τη φορά μεταφοράς της ενέργειας).

8. Τα αισθητήρια θερμοκρασίας και πίεσης στο συμπιεστή και τον εξατμιστήρα.

9. Οι πλακέτα που επιτηρεί με τη βοήθεια των αισθητηρίων τη συνολική λειτουργία της αντλίας θερμότητας, την προστατεύει από φθορά και καταστροφή, και εκτελεί τις απαιτούμενες ρυθμίσεις στην τετράοδη, τις εκτονωτικές και τους ανεμιστήρες ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

10. Το κέλυφος της αντλίας με τη βάση στήριξης.

11. Το χειριστήριο.



Αντλίες θερμότητας τύπου inverter.

Οι αντλίες θερμότητας που έχουν τη δυνατότητα αυξομείωσης των στροφών του συμπιεστή με τη χρήση ειδικής διάταξης που λέγεται inverter, ονομάζονται αντλίες θερμότητας τύπου inverter, και στην ουσία είναι αντλίες θερμότητας μεταβλητού φορτίου, έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να αυξομειώνουν την ενέργεια που μεταφέρουν, αυξομειώνοντας την παροχή του ψυκτικού μέσου.


Βαθμός απόδοσης αντλιών θερμότητας

Η ποιότητα μιας αντλίας σε κατάσταση θέρμανσης, χαρακτηρίζεται από τον συντελεστή συμπεριφοράς(επίδοσης) COP (=Coefficient of Performance).


Η ροή ενέργειας σε μια αντλία θερμότητας που λειτουργεί σε κατάσταση θέρμανσης, έχει όπως στο διπλανό σχήμα.

Η αντλία αντλεί από το ψυχρό περιβάλλον μια ποσότητα θερμότητας (ενέργειας) Q1, προσθέτει μηχανικό έργο (W) στο συμπιεστή, και αποδίδει ποσό ενέργειας Q2 στον ψυχρό χώρο.

Οταν η αντλία λειτουργεί σε κατάσταση θέρμανσης, το ζητούμενο είναι το Q2, ενώ όταν αυτή λειτουργεί σε κατάσταση ψύξης, το ζητούμενο είναι το Q1.

Ο ενεργειακός ισολογισμός στο σχήμα, απαιτεί 

Q2 = Q1 + W.




Ο συντελεστής επίδοσης COP μιας αντλίας θερμότητας σε κατάσταση θέρμανσης, ισούται με





και για ιδανικές συνθήκες ισχύει η εξίσωση

όπου 
Τ_θ είναι η θερμοκρασία του θερμού χώρου (σπίτι) και 
Τ_ψ είναι η θερμοκρασία του ψυχρού (περιβάλλον)

και από την οποία προκύπτει το συμπέρασμα ότι για την ίδια θερμοκρασιακή διαφορά Τ_θ-Τ_ψ ο COP βελτιώνεται όσο υψηλότερης στάθμης είναι η θερμοκρασία Τ_θ.

και ότι όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά (Τ_θ-Τ_ψ) μεταξύ του κλιματιζόμενου και του εξωτερικού χώρου, τόσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής COP.

Τα συμπεράσματα αυτά δείχνουν ότι οι αντλίες θερμότητας μπορούν να λειτουργήσουν πολύ αποδοτικά (με μεγάλους βαθμούς απόδοσης) στη χώρα μας, λόγω των ήπιων κλιματολογικών συνθηκών.

Αν επιστρέψουμε στην εξίσωση ορισμού του συντελεστή COP

βλέπουμε ότι ο συντελεστής απόδοσης ισούται με το έργο που μεταφέραμε στον χώρο, δια το έργο που καταναλώσαμε στον συμπιεστή.

Μια αντλία λοιπόν με συντελεστή COP 4, μεταφέρει 4kW ενέργειας καταναλώνοντας 1kW ηλεκτρισμού, ή αλλιώς, η μεταφορά ενέργειας κοστίζει 25% με την αντλία αυτήν.

Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι ο συντελεστής COP εξαρτάται από τις θερμοκρασίες ψυχρού και θερμού χώρου και δεν είναι σε καμία περίπτωση σταθερός. Οι συντελεστές που δίνουν τα φυλλάδια των κατασκευαστών, είναι μετρημένοι συντελεστές επίδοσης, σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, τυποποιημένες με το πρότυπο Eurovent.

Οι θερμοκρασίες αυτές είναι για τη θέρμανση 
Θερμοκρασία θερμού = 20^οC και
Θερμοκρασία εισόδου εξωτερικού αέρα 7^oC / 6^oC WB

που σημαίνει ότι η εν λόγω αντλία, θα έχει τον συντελεστή COP που αναφέρει ο κατασκευστής, όταν η θερμοκρασία χώρου είναι 20οC και η θερμοκρασία περιβάλλοντος 7oC (DB) Σε οποιεσδήποτε άλλες συνθήκες, ο παράγοντας COP είναι διαφορετικός, και αυτό είναι το σημαντικότερο που πρέπει να κοιτάξει κανείς σε μια αντλία θερμότητας εκτός από τον ονομαστικό συντελεστή COP της, διότι είναι προτιμότερη μια αντλία με λίγο χαμηλότερο COP που παραμένει όμως σταθερό από μια αντλία με υψηλότερο COP που μειόνεται σημαντικά αν οι συνθήκες αλλάξουν.

Για την θερινή λειτουργίας της ψύξης, χρησιμοποιείται ο λόγος ενεργειακής απόδοσης EER (Energy Efficiency Ratio), που ορίζεται ως:

EER = Ψυκτική ισχύς εξατμιστή (btu/h) / Ηλεκτρική ισχύς συμπιεστή (W), ή EER = Q1/W.

Ο συντελεστής EER μετράται επίσης σε τυποποιημένες συνθήκες Eurovent, 
Θερμοκρασία θερμού = 27^οC και
Θερμοκρασία εισόδου εξωτερικού αέρα 35^oC / 6^oC WB

και εξαρτάται επίσης από τις θερμοκρασίες.

Ειδικά στην ψύξη χρησιμοποιείται και ένας ακόμη δείκτης απόδοσης, ο εποχιακός βαθμός απόδοσης, (SEER) που ορίζεται σαν κλάσμα της ενέργειας που μεταφέρθηκε στην καλοκαιρινή περίοδο δια της ενέργειας που δαπανήθηκε στον συμπιεστή για την ίδια περίοδο.
Γρηγόρης Μοναχός.

Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Α.Π.Θ.