1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Ως Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι η φωτεινή ενέργεια, η θερμική ενέργεια και η ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια είναι πρακτικά ανεξάντλητη, καθαρή, ήπια και ανανεώσιμη. Η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται ο πλανήτης μας σε ένα έτος είναι 8.500 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που καταναλώνεται ετησίως σε ολόκληρο τον κόσμο. Και όμως τα εγκατεστημένα ενεργητικά ηλιακά συστήματα σήμερα καλύπτουν μόνο το 0,04% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας.
Το μέσο κτίριο στην Ελλάδα καλύπτει τις ανάγκες του σε θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης με κάποιο λέβητα πετρελαίου ή φυσικού αερίου και τις υπόλοιπες ενεργειακές ανάγκες (π.χ. ψύξη) με ηλεκτρική ενέργεια. Γι’ αυτό θεωρείτε σήμερα ότι ο κτιριακός τομέας συμβάλλει κατά πολύ στην υποβάθμιση του περιβάλλοντος.
Η τεχνολογία τα τελευταία χρόνια έχει κάνει μεγάλα άλματα στον τομέα αυτό και σήμερα υπάρχει μία πλειάδα επιλογών για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μιας οικίας σε θέρμανση, ψύξη και ζεστό νερό, με εφαρμογές οι οποίες είναι εύκολες στη χρήση, φιλικές προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτικές.
2. ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
Ως ηλιοθερμικά συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας για θέρμανση χώρων και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (Solar Combisystems), χαρακτηρίζονται τα συστήματα που προορίζονται να καλύψουν σε ετήσια βάση τις ανάγκες ενός κτιρίου σε θέρμανση και ΖΝΧ, χρησιμοποιώντας τον ήλιο ως κύρια πηγή ενέργειας και μια οποιαδήποτε άλλη πηγή ως βοηθητική για τις περιόδους που ο ήλιος δεν μπορεί να κάλυψη το σύνολο του ενεργειακού φορτίου.
Ως ηλιοθερμικά συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας για θέρμανση χώρων και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (Solar Combisystems), χαρακτηρίζονται τα συστήματα που προορίζονται να καλύψουν σε ετήσια βάση τις ανάγκες ενός κτιρίου σε θέρμανση και ΖΝΧ, χρησιμοποιώντας τον ήλιο ως κύρια πηγή ενέργειας και μια οποιαδήποτε άλλη πηγή ως βοηθητική για τις περιόδους που ο ήλιος δεν μπορεί να κάλυψη το σύνολο του ενεργειακού φορτίου.
Γενικά τα συστήματα αυτά αποτελούνται από το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών (παραγωγή ενέργειας), το θερμοδοχείο ή τα θερμοδοχεία (αποθήκευση ενέργειας), ένα σύστημα βοηθητικής ενέργειας (ηλεκτρικός λέβητας, λέβητας πετρελαίου, λέβητας βιομάζας, αντλία θερμότητας), ένα σύστημα θέρμανσης (θερμαντικά σώματα, ενδοδαπέδια, fancoils) και ένα σύστημα ελέγχου.
Η ηλιακή ενέργεια που συλλέγεται στους συλλέκτες, μετατρέπεται σε θερμική και μεταφέρεται για αποθήκευση σε ένα ή περισσότερα θερμοδοχεία. Εάν η ηλιακή ενέργεια δεν επαρκεί, τότε τίθεται σε λειτουργία η βοηθητική πηγή και συμπληρώνει την απαιτούμενη ενέργεια. Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται μεγάλη εξοικονόμηση καυσίμων και η θέρμανση των χώρων και του νερού χρήσης επιτυγχάνεται με τρόπο φιλικό προς το περιβάλλον.
Αν και η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος είναι ιδιαίτερα απλή και παρόμοια με αυτή ενός κεντρικού ηλιακού συστήματος ζεστού νερού χρήσης, ετούτης για την σωστή και αποδοτική του λειτουργία απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά την μελέτη, τον σχεδιασμό, την επιλογή των υλικών και των καθορισμό του τρόπου λειτουργίας του συστήματος
Στόχος του μελετητή είναι ο σχεδιασμός του συστήματος ώστε να διασφαλίζονται:
· Πλήρης κάλυψη των αναγκών του κτιρίου σε θέρμανση και ΖΝΧ.
· Μέγιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ελαχιστοποίηση της χρήσης των βοηθητικών πηγών ενέργειας.
· Βέλτιστη μεταφορά, αποθήκευση και διανομή της παραγόμενης θερμικής ενέργειας.
· Ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών σε όλα τα μέρη του συστήματος.
Δυστυχώς είναι πολλοί και πολλές φορές αλληλοσυγκρουόμενοι οι παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία, την ποιότητα, και την απόδοση ενός τέτοιου συστήματος, καθιστώντας τον σχεδιασμό του αρκετά πολύπλοκο. Μερικοί από τους κυριότερους παράγοντες είναι:
· Το είδος της βοηθητικής πηγής ενέργειας (λέβητας αερίου, πετρελαίου, βιομάζας, ηλεκτρική αντίσταση, αντλία θερμότητας κλπ) και το κόστος του καυσίμου της.
· Ο τύπος του συστήματος θέρμανσης (θερμαντικά σώματα, fan coils, ενδοδαπέδια ή ακόμα και συνδυασμός κάποιων από τα προηγούμενα).
· Οι συνθήκες λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης (ώρες λειτουργίας, επιθυμητή θερμοκρασία, ιδιαίτερες απαιτήσεις κλπ)
· Η κατανάλωση Ζ.Ν.Χ (π.χ υψηλή ζήτηση κατά συγκεκριμένα διαστήματα, μικρή ζήτηση καθ΄ όλη τη διάρκεια της ημέρας, ιδιαίτερες απαιτήσεις ανάλογα με την χρήση του κτιρίου κλπ) .
· Ο διαθέσιμος χώρος για την εγκατάσταση του συστήματος ηλιακής θέρμανσης (διαθέσιμος χώρος για τους συλλέκτες, το θερμοδοχείο και τα άλλα εξαρτήματα).
· Τα χαρακτηριστικά της κατοικίας (μέγεθος, ποιότητα μόνωσης, θερμικές ανάγκες).
· Τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής εγκατάστασης του συστήματος.
Όλοι οι παραπάνω παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν σε μικρό ή μεγάλο βαθμό τον σχεδιασμό του συστήματος καθώς και την απόδοσή του. Για τον λόγο αυτό δεν είναι δυνατό να υπάρξει το «βέλτιστο» σύστημα για όλες τις περιπτώσεις .
3. ΠΕΔΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
3.1 Συστήματα υψηλών θερμοκρασιών
Τα παλιά αμόνωτα κτίρια με θερμαντικά σώματα που λειτουργούν σε θερμοκρασίες 90/70/20oC (ΔΤ=60oC), είναι ακατάλληλα για εφαρμογές ηλιακής θέρμανσης, αφού η πολύ υψηλή θερμοκρασία επιστροφών καταστρέφει την διαστρωμάτωση του θερμοδοχείου και δημιουργεί πολύ κακές συνθήκες λειτουργίας των συλλεκτών (μεγάλη θερμοκρασία προσαγωγής στους συλλέκτες και άρα μικρή απόδοση). Για να τοποθετηθεί ηλιοθερμικό σύστημα σε τέτοιο κτήριο θα πρέπει πρώτα να προηγηθεί μια σοβαρή ενεργειακή αναβάθμιση στο κέλυφος του κτηρίου. Με την τοποθέτηση πολύ καλών μονώσεων σε όλες τις εξωτερικές επιφάνειες θα μειωθούν οι ενεργειακές ανάγκες του κτηρίου και τα εγκατεστημένα σώματα θα είναι πλέον υπερδιαστασιολογημένα σε σχέση με τις νέες απαιτήσεις. Με καλή ρύθμιση των κυκλωμάτων και προσθήκη μερικών απαραίτητων αυτοματισμών (τρίοδος ή τετράοδος βάνα, αντιστάθμιση βάση εξωτερικής θερμοκρασίας, διακόπτες με θερμοστατική κεφαλή, κλπ) θα μπορεί πλέον να λειτουργεί σε μέσες θερμοκρασίες.
Τα παλιά αμόνωτα κτίρια με θερμαντικά σώματα που λειτουργούν σε θερμοκρασίες 90/70/20oC (ΔΤ=60oC), είναι ακατάλληλα για εφαρμογές ηλιακής θέρμανσης, αφού η πολύ υψηλή θερμοκρασία επιστροφών καταστρέφει την διαστρωμάτωση του θερμοδοχείου και δημιουργεί πολύ κακές συνθήκες λειτουργίας των συλλεκτών (μεγάλη θερμοκρασία προσαγωγής στους συλλέκτες και άρα μικρή απόδοση). Για να τοποθετηθεί ηλιοθερμικό σύστημα σε τέτοιο κτήριο θα πρέπει πρώτα να προηγηθεί μια σοβαρή ενεργειακή αναβάθμιση στο κέλυφος του κτηρίου. Με την τοποθέτηση πολύ καλών μονώσεων σε όλες τις εξωτερικές επιφάνειες θα μειωθούν οι ενεργειακές ανάγκες του κτηρίου και τα εγκατεστημένα σώματα θα είναι πλέον υπερδιαστασιολογημένα σε σχέση με τις νέες απαιτήσεις. Με καλή ρύθμιση των κυκλωμάτων και προσθήκη μερικών απαραίτητων αυτοματισμών (τρίοδος ή τετράοδος βάνα, αντιστάθμιση βάση εξωτερικής θερμοκρασίας, διακόπτες με θερμοστατική κεφαλή, κλπ) θα μπορεί πλέον να λειτουργεί σε μέσες θερμοκρασίες.
3.2 Συστήματα Μέσων θερμοκρασιών
Ως συστήματα μέσων θερμοκρασιών χαρακτηρίζονται τα συστήματα με θερμαντικά σώματα που έχουν σχεδιαστεί για θερμοκρασίες : 60/40/20oC (ΔΤ=30 oC) ή 50/30/20oC (ΔΤ=20oC). Τα συστήματα αυτά έχουν χαμηλές επιστροφές, κυρίως τους φθινοπωρινούς και εαρινούς μήνες. Για συνεργασία τους με ηλιοθερμικό σύστημα θα πρέπει στο κύκλωμα θέρμανσης να τοποθετηθούν οπωσδήποτε τρίοδος ή τετράοδος βάνα που θα ελέγχεται με αντιστάθμιση βάση εξωτερικής θερμοκρασίας και διακόπτης με θερμοστατική κεφαλή σε κάθε σώμα, ώστε να μειωθεί όσο το δυνατό περισσότερο η θερμοκρασία των επιστροφών. Η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος, σωστά σχεδιασμένου, μπορεί να δώσει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα
Ως συστήματα μέσων θερμοκρασιών χαρακτηρίζονται τα συστήματα με θερμαντικά σώματα που έχουν σχεδιαστεί για θερμοκρασίες : 60/40/20oC (ΔΤ=30 oC) ή 50/30/20oC (ΔΤ=20oC). Τα συστήματα αυτά έχουν χαμηλές επιστροφές, κυρίως τους φθινοπωρινούς και εαρινούς μήνες. Για συνεργασία τους με ηλιοθερμικό σύστημα θα πρέπει στο κύκλωμα θέρμανσης να τοποθετηθούν οπωσδήποτε τρίοδος ή τετράοδος βάνα που θα ελέγχεται με αντιστάθμιση βάση εξωτερικής θερμοκρασίας και διακόπτης με θερμοστατική κεφαλή σε κάθε σώμα, ώστε να μειωθεί όσο το δυνατό περισσότερο η θερμοκρασία των επιστροφών. Η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος, σωστά σχεδιασμένου, μπορεί να δώσει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα
3.3 Συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών
Η ιδανική εφαρμογή των ηλιοθερμικών σύστημα είναι με συστήματα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών (ενδοδαπέδια, fancoils), που έχουν σχεδιαστεί για θερμοκρασίες: 40/25/20oC, Τα συστήματα αυτά εξασφαλίζουν χαμηλή θερμοκρασία επιστροφών και άρα άριστες συνθήκες λειτουργίας των συλλεκτών. Η χαμηλή θερμοκρασία προσαγωγής μπορεί εύκολα να επιτευχθεί μόνο από τους συλλέκτες ακόμα και κατά την χειμερινή περίοδο, αποτρέποντας την λειτουργία της βοηθητικής πηγής αρκετές ώρες την ημέρα.
4. ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΕΣ ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ
Διακρίνονται τρεις βασικές σχεδιαστικές επιλογές αναφορικά με τον τρόπο παραγωγής και αποθήκευσης του νερού θέρμανσης και του ζεστού νερού χρήσης.
4.1 Ανεξάρτητα Θερμοδοχεία
Η παραγωγή του ΖΝΧ γίνεται σε ένα μποϊλερ τριπλής ενέργειας και η αποθήκευση του νερού θέρμανσης σε ένα δεύτερο δοχείο με εσωτερικό εναλλάκτη και κατάλληλες αναμονές.
Η παραγωγή του ΖΝΧ γίνεται σε ένα μποϊλερ τριπλής ενέργειας και η αποθήκευση του νερού θέρμανσης σε ένα δεύτερο δοχείο με εσωτερικό εναλλάκτη και κατάλληλες αναμονές.
Η επιλογή αυτή επιτρέπει μεγάλη, ευελιξία στον σχεδιασμό συστημάτων και ιδίως σε συστήματα με ιδιαίτερες απαιτήσεις (πχ κτίριο με μεγάλες ανάγκες σε θέρμανση και μικρές σε ΖΝΧ ή το αντίστροφο).
Πλεονεκτήματα
· Σε κάθε θερμοδοχείο μπορεί ρυθμιστεί διαφορετική μέγιστη θερμοκρασία ανάλογα με της ανάγκες (πχ μπόιλερ ΖΝΧ στους 50-60οC και δοχείο θέρμανσης στους 40οC).
· Η θερμοκρασία στο δοχείο θέρμανσης μπορεί να φτάσει έως και τους 99 οC, όταν υπάρχει επαρκής ηλιοφάνεια χωρίς τον φόβο σχηματισμού αλάτων στο μποϊλερ ΖΝΧ, αφού η θερμοκρασία του μπορεί να περιοριστεί π.χ στους 60οC, ανεξάρτητα από δοχείο θέρμανσης.
· Ευνοείται η θερμική διαστρωμάτωση στο θερμοδοχείο θέρμανσης.
· Ευελιξία συντήρησης και αντικατάστασης των θερμοδοχείων.
Μειονεκτήματα
· Απαιτείται περισσότερος χώρος, σωληνώσεις και εξαρτήματα για την εγκατάσταση των θερμοδοχείων.
· Ακριβότερη εγκατάσταση λόγω υλικών και εργατικών.
· Μεγαλύτερες απώλειες θερμότητας λόγω της μεγάλης αναλογίας όγκου / επιφάνειας των δοχείων και των εκτεταμένων σωληνώσεων.
4.2 Θερμοδοχείο COMBI - Δοχείο μέσα σε δοχείο
Το θερμοδοχείο (δοχείο Combi) αποτελείται από δυο δοχεία το ένα μέσα στο άλλο. Στο εξωτερικό δοχείο (δοχείο αδρανείας) κυκλοφορεί το νερό του συστήματος θέρμανσης. Στο εσωτερικό αυτού του δοχείου υπάρχει ένα δεύτερο δοχείο (το δοχείο ZNX), το οποίο είναι κατάλληλο για πόσιμο νερό.
Στο εσωτερικό του δοχείου αδρανείας βρίσκεται εμβαπτισμένος και ένας σταθερός εναλλάκτης για σύνδεση του με το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών. Η ενέργεια των ηλιακών συλλεκτών μεταφέρεται στο θερμοδοχείο μέσω του σταθερού εναλλάκτη και θερμαίνει αρχικά το νερό της κεντρικής θέρμανσης και στη συνέχεια το νερό χρήσης. Εάν η ηλιακή ενέργεια δεν επαρκεί, τότε τίθεται σε λειτουργία η βοηθητική πηγή και συμπληρώνει την απαιτούμενη ενέργεια.
· Συμπαγής μορφή συστήματος. Απαιτεί μικρότερο χώρο εγκατάστασης και λιγότερα υλικά και σωληνώσεις.
· Το δοχείο ΖΝΧ είναι εμβαπτισμένο μέσα στο δοχείο θέρμανσης και έτσι είναι γρηγορότερη η παραγωγή ΖΝΧ. Άρα η ζήτηση μπορεί να καλυφθεί με μικρότερο όγκο δοχείου.
· Μικρότερες απώλειες ενέργειας λόγω της καλύτερης αναλογίας όγκου:επιφάνειας των δοχείων και περιορισμού των σωληνώσεων.
Μειονεκτήματα
· Περιορισμένη ευελιξία στην επιλογή του όγκου του ΖΝΧ σε σχέση με τον όγκο του δοχείου.
· Δεν επιτρέπεται η ρύθμιση διαφορετικών θερμοκρασιών στο θερμοδοχείο και στο δοχείο ΖΝΧ. Η θερμοκρασία του ενός δοχείου επηρεάζει μοιραία και την θερμοκρασία του άλλου.
· Το άνω μέρος του δοχείου θέρμανσης θα πρέπει να βρίσκεται σε θερμοκρασία κατάλληλη για παραγωγή ΖΝΧ ανεξάρτητα από την ύπαρξη αναγκών θέρμανσης (πχ θερινή περίοδος).
· Δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης του δοχείου ΖΝΧ σε περίπτωση βλάβης. (Το δοχείο ΖΝΧ είναι πιο επιρρεπές σε φθορές εξαιτίας του σχηματισμού αλάτων και της συνεχούς ανανέωσης του νερού χρήσης).
4.3 Δοχείο με εσωτερικό εναλλάκτη για παραγωγή ΖΝΧ
Είναι παρόμοιο με το δοχείο Combi, μόνο που αντί του εσωτερικού δοχείου υπάρχει ένας εναλλάκτης μεγάλου μήκους για άμεση παραγωγή ζεστού νερού χρήσης.
Πλεονεκτήματα
· Συμπαγής μορφή συστήματος. Απαιτεί μικρότερο χώρο εγκατάστασης και λιγότερα υλικά και σωληνώσεις.
· Μηδενικός κίνδυνος λεγιονέλλας.
Μειονεκτήματα
· Η θερμοκρασία του θερμοδοχείου θα πρέπει να διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία, καθ΄ όλη τη διάρκεια του έτους ώστε να είναι δυνατή η άμεση παραγωγή Ζ.Ν.Χ στον εναλλάκτη.
· Μεγαλύτερες απώλειες λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας του δοχείου.
· Λόγο της υψηλής θερμοκρασίας του θερμοδοχείο, μειώνεται η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών.
· Διατάραξη της διαστρωμάτωσης του δοχείου όταν υπάρχει ζήτηση ΖΝΧ για μεγάλο χρονικό διάστημα.
· Δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ή συντήρησης του εναλλάκτη.
Γαβριελάτος Ανδρέας - Μηχανολόγος και Αεροναυπηγός Μηχανικός Πανεπιστημίου Πατρών.
MSc «Παραγωγή & Διαχείριση Ενέργειας» (ΕΜΠ).
