Θερμοδοχείο Combi

ΣχεδιασμΟς ΘερμοδοχεΙου Combi

Θερμοδοχείο Combi της SICC

Το βασικότερο στοιχείο ενός συστήματος ηλιακής θέρμανσης είναι το θερμοδοχείο, το οποίο αποτελεί την "καρδιά" του συστήματος και θα πρέπει να είναι ειδικά μελετημένο και κατασκευασμένο για τον σκοπό αυτό. Πρέπει να είναι καλά μονωμένο και να βοηθά στην διαστρωμάτωση της θερμοκρασίας του νερού στο εσωτερικό του. Το θερμό νερό έχει μικρότερη πυκνότητα από το ψυχρό και γι αυτό πάντα βρίσκεται ψηλότερα από το ψυχρό σε ένα θερμοδοχείο. Τα φαινόμενο αυτό κάνει δυνατή την θερμική διαστρωμάτωση και την δημιουργία ζωνών διαφορετικής θερμοκρασίας μέσα σε ένα δοχείο. Η διαστρωμάτωση του δοχείου έχει ως αποτέλεσμα την βέλτιστη χρήση της αποθηκευμένης ενέργειας του δοχείου, την  μέγιστη απόδοση του συστήματος, τον περιορισμό των θερμικών απωλειών και την μέγιστη συλλογή ενέργειας από τους ηλιακούς συλλέκτες. Εξίσου σημαντική με την δημιουργία της διαστρωμάτωσης είναι και η διατήρησή της σε όλες τις φάσεις λειτουργίας (φόρτιση και εκφόρτιση). Για την διατήρηση της διαστρωμάτωσης όλες οι ροές θερμότητας, από και  προς το θερμοδοχείο, θα πρέπει να γίνονται με τρόπο ώστε να βελτιώνουν ή τουλάχιστον να διατηρούν την διαστρωμάτωση του δοχείου. Μια και μόνο ροή εισόδου ή εξόδου που θα δημιουργήσει σημαντική ανάμιξη είναι ικανή να καταστρέψει την διαστρωμάτωση ολόκληρου του θερμοδοχείου ακόμα και αν όλες οι άλλες ροές πραγματοποιούνται κατά τον βέλτιστο δυνατό τρόπο.

Η φόρτιση του θερμοδοχείου μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους: με εσωτερικό εναλλάκτη, με απευθείας σύνδεση στο δοχείο ή με ηλεκτρική αντίσταση. Κατά την φόρτιση με εσωτερικό εναλλάκτη το νερού που θερμαίνεται από τον εναλλάκτη ανυψώνεται και αναμειγνύεται με το νερό πάνω από τον εναλλάκτη. Με τον τρόπο αυτό η θερμότητα μεταφέρεται σε μεγάλο όγκο νερού το οποίο θερμαίνεται αργά. Έτσι δημιουργείται μια ζώνη ίδιας θερμοκρασίας πάνω από τον εναλλάκτη ή οποία ανεβαίνει προς το πάνω μέρος του δοχείου έως ότου συναντήσει μια ζώνη υψηλότερης θερμοκρασίας. Μόλις το νερό φτάσει την θερμοκρασία της ανώτερης ζώνης οι δύο ζώνες ομογενοποιούνται και θερμαίνονται στην ίδια θερμοκρασία. Ό όγκος του δοχείου κάτω από τον εναλλάκτη μένει ανεπηρέαστος, ενώ παρατηρείται μια μικρή βαθμιδωτή μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού στο ύψος του εναλλάκτη.

Εξαιτίας της ανάμιξης που προκαλείται από το θερμαινόμενο νερό πάνω από τον εναλλάκτη διαταράσσεται έως ένα βαθμό η διαστρωμάτωση του δοχείου.

Η ηλεκτρική αντίσταση φορτίζει το δοχείο με παρόμοιο τρόπο, μόνο που λόγω της μεγάλης ισχύος της και της μικρής της επιφάνειας το θερμαινόμενο νερό δεν αναμιγνύεται πλήρως με το περιβάλλον νερό και έτσι δεν καταστρέφεται η διαστρωμάτωση του δοχείου

Με την άμεση σύνδεση στο δοχείο, το ζεστό νερό εισέρχεται από την σύνδεση εισόδου και ωθεί το νερό του δοχείου προς την σύνδεση εξόδου. Αν το εισερχόμενο νερό είναι πιο θερμό από το νερό του δοχείου, η θερμότητα μεταφέρεται στην ζώνη πάνω από την αναμονή εισόδου καθώς και στον όγκο του νερού κάτω από αυτή. Έτσι επηρεάζεται μεγάλος όγκος νερού και η θερμοκρασία του νερού κάτω από την είσοδο είναι αρκετά μικρότερη από την θερμοκρασία του νερού εισόδου. Η φόρτιση με άμεσο τρόπο τείνει να βελτιώνει την διαστρωμάτωση στο θερμοδοχείο, αρκεί οι ροές εισόδου και εξόδου να είναι οριζόντιες, να έχουν μικρή ταχύτητα και να γίνονται στο σωστό ύψος του θερμοδοχείου.

Το θερμοδοχείο θα πρέπει να έχει αρκετό όγκο ώστε να καλύπτει τις ανάγκες σε θέρμανση και ΖΝΧ και να μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλο ποσό ενέργειας όταν υπάρχει διαθέσιμη ηλιοφάνεια. Το σχήμα του θα πρέπει να είναι τέτοιο, ώστε το να έχει μικρή εξωτερική επιφάνεια (μικρές απώλειες θερμότητας) αλλά και να ευνοεί την διαστρωμάτωση στο εσωτερικό του. Συνήθως τα θερμοδοχεία Σ.Η.Θ έχουν κυλινδρική μορφή και η αναλογία ύψους-διαμέτρου είναι από 2:1 έως 3:1. Ό όγκος του δοχείου ΖΝΧ καταλαμβάνει συνήθως το 10%-30% του συνολικού όγκου του δοχείου. Αυτή είναι περίπου και η αναλογία της απαιτούμενης ενέργειας για ΖΝΧ σε σχέση με το ολικό φορτίο, σε μια μέση εγκατάσταση. Το θερμοδοχείο θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό καλύτερα μονωμένο, ώστε να περιορίζονται οι απώλειες θερμότητας, η οποίες συνεπάγονται σπατάλη ενέργειας και διατάραξη της διαστρωμάτωσης του δοχείου. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στα ψηλότερα σημεία του θερμοδοχείου που η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη.

ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ

Ο βαθμός απόδοσης ενός συλλέκτη εκφράζει το ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας πού δεσμεύεται από αυτόν και μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη (θερμική μόνωση, διαφάνεια τζαμιού, επιφάνεια συλλογής κ.α) και τις συνθήκες λειτουργίας του (μέση θερμοκρασία νερού μέσα στον συλλέκτη, θερμοκρασία περιβάλλοντος και ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας πού δέχεται ο συλλέκτης). Οι ηλιακοί συλλέκτες θα πρέπει να είναι επιλεκτικής επιφάνειας και υψηλής απόδοσης αφού το σύστημα απαιτεί την μέγιστη συλλογή ενέργειας κατά την χειμερινή περίοδο.

Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός συλλέκτη περιγράφονται από την καμπύλη απόδοσης του συλλέκτη. Η απόδοση του συλλέκτη εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας G,  την θερμοκρασία του αέρα Ta και την μέση θερμοκρασία συλλέκτη Tm.

Τα δύο πρώτα χαρακτηριστικά εξαρτώνται από τις κλιματολογικές συνθήκες. Άρα το μόνο χαρακτηριστικό που μπορεί να επηρεαστεί από τον σχεδιαστή είναι η μέση θερμοκρασία του συλλέκτη. Για την αύξηση της απόδοσης του συλλέκτη η θερμοκρασία προσαγωγής (και κατ επέκταση η μέση θερμοκρασία) θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, ώστε ο συλλέκτης να λειτουργεί στην αριστερή πλευρά του διαγράμματος όπου και αυξάνεται η απόδοσή του. Για τον λόγο αυτό ο εναλλάκτης του ηλιακού κυκλώματος τοποθετείται στο κάτω τμήμα του θερμοδοχείου που είναι και το πιο ψυχρό σημείο του. Το κύκλωμα των συλλεκτών πρέπει να συνδέεται με το θερμοδοχείο μέσω εσωτερικού εναλλάκτη και όχι με ευθείας σύνδεση, ώστε το κύκλωμα του να διαχωρίζεται από αυτό της υπόλοιπης εγκατάστασης. Αυτό είναι απαραίτητο ώστε το κύκλωμα των ηλιακών να μπορεί να προστατευθεί από τον παγετό με την προσθήκη κάποιου αντιψυκτικού μέσου.

Τα ηλιακά συστήματα διακρίνονται σε δύο κύριους τύπους. Σε συστήματα υψηλής και σε συστήματα χαμηλής ροής. Στα συστήματα υψηλής ροής η παροχή ρυθμίζεται ώστε η θερμοκρασία επιστροφής από τους συλλέκτες να είναι 5-10^oC μεγαλύτερη από αυτή της επιστροφής (40-50 l/hm²_{συλ.επιφ}.). Με τον τρόπο αυτό και χρησιμοποιώντας τον εναλλάκτη στο κάτω τμήμα του δοχείου, διατηρείται χαμηλή η μέση θερμοκρασία των συλλεκτών (καλύτερη απόδοση) και το θερμοδοχείο θερμαίνεται από κάτω προς τα πάνω (μεγαλύτερος όγκος εκμετάλλευσης).

Στα συστήματα χαμηλής ροής, η παροχή ρυθμίζεται ώστε η θερμοκρασία επιστροφής από τους συλλέκτες να είναι 30-40^oC μεγαλύτερη από αυτή της επιστροφής (10-15 l/hm² _{συλ.επιφ}.). Στα συστήματα αυτά η μέση θερμοκρασία των συλλεκτών είναι αρκετά υψηλότερη (μικρότερη απόδοση) και η σύνδεση του κυκλώματος θα πρέπει να γίνεται σε ψηλότερο σημείο στο θερμοδοχείο (μικρότερος όγκος εκμετάλλευσης). Επίσης δεν ενδείκνυται η χρήση εναλλάκτη γιατί δεν μπορεί να εκμεταλλευτεί πλήρως την υψηλή θερμοκρασία του ρευστού. Με το σύστημα αυτό μπορούμε να επιτύχουμε σχετικά γρήγορα υψηλή θερμοκρασία στο άνω μέρος του δοχείου (ώστε να αποφευχθεί ή έστω να καθυστερήσει η έναρξη της βοηθητικής πηγής) αλλά μπορούμε να θερμάνουμε μικρό μόνο όγκο νερού.

Βοηθητική πηγή ενέργειας (Β.Π.Ε)

Η είσοδος του νερού από την βοηθητική πηγή ενέργειας στο θερμοδοχείο είναι η ροή με την μεγαλύτερη θερμοκρασία σε όλο το σύστημα. Γι αυτό και θα πρέπει να γίνεται στο ψηλότερο σημείο του θερμοδοχείου. Το σημείο εξόδου θα πρέπει να καθοριστεί μετά από εξέταση διαφόρων παραγόντων:

· Η βοηθητική πηγή πρέπει να μπορεί να καλύψει τις ανάγκες σε θέρμανση και ΖΝΧ. Για τον λόγο αυτό η έξοδος της θα πρέπει να βρίσκεται κάτω από τον δοχείο ΖΝΧ και κάτω από την έξοδο του συστήματος θέρμανσης. Η προετοιμασία Ζ.Ν.Χ είναι συνήθως η πιο απρόβλεπτη και ταχέως μεταβαλλόμενη ζήτηση του συστήματος και γι αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπ όψιν κατά την επιλογή της ισχύος της βοηθητικής πηγής ενέργειας.

· Ανάλογα με την επιλογή της βοηθητικής πηγής, ο όγκος που ορίζεται από την είσοδο και την έξοδο της στο δοχείο θα πρέπει να είναι αρκετός ώστε να περιορίζονται τα πολύ συχνά αναβοσβησίματα που οδηγούν σε μεγάλες απώλειες θερμότητας.

· Η έξοδος θα πρέπει να είναι και όσο το δυνατό ψηλότερα, σεβόμενη βέβαια και τους προηγούμενους παράγοντες, ώστε να μένει μεγάλος όγκος νερού για εκμετάλλευση από τον ήλιο.

Θα πρέπει να συνυπολογισθούν επίσης και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κατασκευής και λειτουργίας της βοηθητικής πηγής. (Για παράδειγμα οι λέβητες συμπύκνωσης απαιτούν χαμηλές θερμοκρασίες επιστροφής (55^oC)  για βελτιστοποίηση της απόδοσής τους, ενώ αντίθετα σε λέβητες βιομάζας ή λέβητες που δεν είναι κατάλληλοι για χαμηλές θερμοκρασίες η θερμοκρασία επιστροφής θα πρέπει να είναι πάντα μεγαλύτερη από 55 ^oC για να μην υπάρχουν προβλήματα διαβρώσεις. Οι λέβητες ξύλου ή βιομάζας και τα ενεργειακά τζάκια δεν μπορούν να σταματήσουν την παροχή θερμότητας όσο υπάρχει καύσιμο στην εστία τους με αποτέλεσμα αν ο διαθέσιμος όγκος στο θερμοδοχείο είναι μικρός να δημιουργούνται προβλήματα υπερθέρμανσης. Οι λέβητες πετρελαίου έχουν πολύ μεγαλύτερη αδράνεια λόγω μάζας σε σχέση με έναν επίτοιχο λέβητα αερίου. κ.α)

Ζεστό Νερό Χρήσης (ΖΝΧ)

Το ΖΝΧ είναι συνήθως η κατανάλωση που απαιτεί την μεγαλύτερη θερμοκρασία (50-60^oC) γι αυτό το δοχείο ΖΝΧ τοποθετείται στο ψηλότερο σημείο του θερμοδοχείου και η έξοδος του νερού προς την κατανάλωση γίνεται από την κορυφή του δοχείου. Αντίθετα το νερό του δικτύου έχει την χαμηλότερη θερμοκρασία στο σύστημα (10-18 ^oC) και γι αυτό η είσοδός του θα πρέπει να γίνεται χαμηλά μέσα στο δοχείο. Μια κατασκευή δοχείου ΖΝΧ που χρησιμοποιείται συχνά είναι αυτή στην οποία το κάτω μέρος του δοχείου ΖΝΧ μικραίνει σε διατομή στον πάτο του και εκτείνεται χαμηλά μέσα στο εξωτερικό δοχείο. Η ειδική αυτή κατασκευή εξυπηρετεί δύο σκοπούς. Πρώτον η είσοδος του κρύου νερού γίνεται σε πολύ χαμηλότερο σημείο και δεύτερον εξαιτίας του πολύ μικρού της όγκου δεν ευνοεί την ανάπτυξη λεγιονέλλας. Ο όγκος του δοχείου ΖΝΧ υπολογίζεται στο 60-90% της προβλεπόμενης ημερήσιας κατανάλωσης σε νερό και συνήθως κυμαίνεται στα 100-200 lit.

Σύστημα θέρμανσης

Η θερμοκρασία προσαγωγής του συστήματος θέρμανσης κυμαίνεται μεταξύ της θερμοκρασίας του ΖΝΧ και της μέσης θερμοκρασίας του δοχείου και γι΄ αυτό η αναμονή εξόδου του πρέπει να βρίσκεται στο μέσω περίπου του θερμοδοχείου. Η θέση εισόδου από το σύστημα θέρμανσης εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους και κυρίως από την θερμοκρασία των επιστροφών. Το σύστημα θέρμανσης έχει την μεγαλύτερη ετήσια κατανάλωση ενέργειας και μάλιστα η μέγιστη ζήτηση πραγματοποιείται κατά την χειμερινή περίοδο όπου επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες και μικρή ηλιοφάνεια. Γι’ αυτό και ο όγκος του θερμοδοχείου που προορίζεται για το σύστημα θέρμανσης θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος. Η θερμοκρασία των επιστροφών από το σύστημα θέρμανσης εξαρτάται από τον τύπο του συστήματος (θερμαντικά σώματα, ενδοδαπέδια κλπ), τον σχεδιασμό και τις συνθήκες λειτουργίας του (π.χ ρύθμιση συστημάτων, μονοσωλήνιο ή δισωλήνιο σύστημα κλπ) και από τα συστήματα ελέγχου που διαθέτει (π.χ αντιστάθμιση, θερμοστατικές κεφαλές κλπ).

Ενδεικτική συνδεσμολογία

Συμπεράσματα

Εξαιτίας των πολλών παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία και την απόδοση των συστημάτων αυτών θα πρέπει να αποφεύγεται η χρησιμοποίηση έτοιμων «πακέτων» προϊόντων αφού δεν μπορεί να υπάρξει ένα «τέλειο» σύστημα για όλες τις εγκαταστάσεις. Σε κάθε έργο θα πρέπει να γίνεται προσεχτική καταγραφή και μελέτη όλων των παραμέτρων και να επιλέγεται ο βέλτιστος σχεδιασμός και τα κατάλληλα υλικά για την κάθε περίπτωση.

Η μεγαλύτερη πρόκληση κατά τον σχεδιασμό του συστήματος είναι το πώς ο μηχανικός θα συνδυάσει τις διαφορετικές λειτουργίες των δύο ή περισσότερων πηγών ενέργειας και τις ανάγκες κατανάλωσης (θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης) σε ένα ενιαίο, οικονομικό, αποδοτικό και αξιόπιστο σύστημα θέρμανσης, εκμεταλλευόμενος στο έπακρον την διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια, ώστε να καλυφθούν πλήρως οι ανάγκες του κτιρίου και συγχρόνως να μειωθεί το ετήσιο κόστος λειτουργίας του συστήματος σε τέτοιο βαθμό ώστε η απόσβεσή του να πραγματοποιηθεί στο μικρότερο δυνατό χρόνο.

Γαβριελάτος Ανδρέας - Μηχανολόγος και Αεροναυπηγός Μηχανικός Πανεπιστημίου Πατρών. 

                                      Msc «Παραγωγή & Διαχείριση Ενέργειας» (ΕΜΠ).