Αντλίες θερμότητας
Ποιος θέλει δωρεάν ενέργεια;
Κοίταξε έξω από το παράθυρό σου, τι βλέπεις; Το δρόμο, το απέναντι σπίτι, τα δέντρα και τα χωράφια; Αυτό που βλέπουμε εμείς είναι μια ελεύθερη πηγή ενέργειας – τον αέρα.
Είτε το πιστεύετε είτε όχι, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πραγματικά το εξωτερικό αέρα, ένα από τα εντελώς δωρεάν αγαθά της φύσης, στη ζέστη και στο κρύο για το σπίτι σας. Ακόμη και σε θερμοκρασίες υπό του μηδενός, ο ατμοσφαιρικός αέρας περιλαμβάνει θερμότητα. Όταν συγκεντρώσετε θερμότητα με τη βοήθεια της αντλίας θερμότητας αέρα/νερού της NIBE μπορείτε να τροφοδοτήσετε το ενδοδαπέδιο σύστημα, τα θερμαντικά σώματα και το ζεστό νερό χρήσης του σπιτιού σας. Η ίδια αντλία θερμότητας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως μονάδα κλιματισμού για να δροσίσει το σπίτι σας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού.
Είναι εκπληκτικό, αλλά αληθινό. Γνωρίζουμε, γιατί έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει την τεχνολογία της αντλίας θερμότητας στη Σουηδία για πάνω από 30 χρόνια.
Γιατί να επιλέξετε μια αντλία θερμότητας αέρα/νερού;
Εδώ είναι οι δύο προφανείς λόγοι
Ο πρώτος λόγος είναι ο οικονομικός. Μία αντλία θερμότητας αέρα/νερού καθιστά τη θέρμανση και ψύξη στο σπίτι σας, καθώς και το ζεστό νερό πολύ πιο φθηνά. Μπορείτε να μειώσετε το κόστος θέρμανσης σας μέχρι 65%, αν και ο ακριβής αριθμός εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το πού ζείτε, το μέγεθος του σπιτιού σας και αν χρησιμοποιήσετε τη λειτουργία της ψύξης. Η αρχική σας επένδυση είναι σε χαμηλότερα επίπεδα όταν χρησιμοποιείται αντλία θερμότητας νερού/αέρα, σε αντίθεση με μια γεωθερμική αντλία θερμότητας όπου απαιτεί και γεωθερμικές γεωτρήσεις. Η απόδοση της αντλίας θερμότητας (έχουν ένα ιδιαίτερα υψηλό εύρος λειτουργίας)
επηρεάζει ευνοϊκά την ταχύτητα της απόσβεσης της επένδυσή σας. Με τις τιμές της ενέργειας να αυξάνεται συνεχώς, είναι απίθανο να αλλάξετε την απόφασή σας. Στην πραγματικότητα, θα αρχίσετε να απολαμβάνετε εξοικονόμηση πόρων από τον πρώτο κιόλας μήνα.
Ο δεύτερος λόγος είναι ότι η αντλίας θερμότητας αέρα/νερού είναι πολύ φιλική προς το περιβάλλον. Η επιλογή σας να χρησιμοποιήσετε τη φυσική ενέργεια από τον εξωτερικό αέρα για θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης στο σπίτι, οδηγεί σε πολύ χαμηλότερες εκπομπές CO2 από οποιοδήποτε άλλο παραδοσιακό σύστημα θέρμανσης που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα.
Λειτουργία Αντλίας Θερμότητος
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.


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.
Οι αντλίες θερμότητος είναι μηχανές μεταφοράς κυρίως (και όχι παραγωγής) θερμικής ενέργειας από ένα χώρο με χαμηλότερη θερμοκρασία, σε ένα χώρο με υψηλότερη. Βασίζονται στο φαινόμενο της ψύξης ενός υγρού όταν αυτό εξαερώνεται. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το φιαλίδιο του υγραερίου που ψύχεται όταν το τοποθετούμε στο καμινέτο (εξαερώνεται το υγραέριο), ή το χέρι μας που ψύχεται όταν βάζουμε οινόπνευμα (εξαερώνεται το οινόπνευμα).
Η τεχνολογία δεν είναι και τόσο καινούρια (Carnot 1824 - Einstein 1926), αλλά χρησιμοποιούνταν κυρίως για τις ανάγκες ψύξης (ψυγεία, καταψύκτες, κοινά κλιματιστικά ψύξης κ.ά), όπου όλο το ζητούμενο έργο παράγεται από τα μηχανήματα χωρίς επαφή ούτε και ωφέλεια από το περιβάλλον. Αν όμως αναστραφεί ο κύκλος λειτουργίας τους, τότε παράγουν αντί ψύξης θερμότητα και εφ' όσον έλθουν σε επαφή με το περιβάλλον, προσλαμβάνουν την απαιτούμενη θερμότητα από αυτό, (ατμόσφαιρα, γή, θάλασσα, υπόγεια νερά κλπ), χωρίς ουσιαστική δαπάνη για παραγωγή ενέργειας.
Υπό κανονικές συνθήκες το κόστος για τη μεταφορά της ενέργειας αποτελεί περίπου το 20%, με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση του 80% τόσο των χρημάτων, όσο και φυσικών πόρων (καύσιμα), ενώ παράλληλα προστατεύεται το περιβάλλον από τη μείωση των καυσαερίων.
Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να αντιστρέφουν τον κύκλο λειτουργίας τους, με αποτέλεσμα αντί θέρμανσης να παράγουν ψύξη και αντίστροφα. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να αντικαταστήσουν περισσότερες από μία συσκευές όπως, λέβητες θέρμανσης, κλιματιστικά, θερμοσίφωνες ζεστού νερού κ.ά.
Πως λειτουργούν;
Σύμφωνα με το σκαρίφημα, τα βασικά μέρη μιας αντλίας θερμότητας είναι:
- Ο συμπιεστής (κομπρεσέρ) που συμπιέζει το αέριο και του αυξάνει τη θερμότητα λόγω συμπίεσης
- Ο συμπυκνωτής που συμπυκνώνει το συμπιεσμένο αέριο και το μετατρέπει ξανά σε υγρό, ενώ παράλληλα του αφαιρεί την πρόσθετη θερμοκρασία και τη μεταφέρει στο νερό που τον περιβάλλει (εναλλάκτης θερμότητας).
- Η βαλβίδα εκτόνωσης η οποία εκτονώνει το υγρό και το μετατρέπει σε αέριο με παράλληλη, δραματική μείωση της θερμοκρασίας του.
- Ο εξατμιστής όπου ολοκληρώνεται η εξάτμιση του εκτονωμένου υγρού.
- Ο ανεμιστήρας που μεταφέρει το ζεστό αέρα δια μέσου του εξατμιστή (εναλλάκτης θερμότητας) και τον ψύχει.

Να σημειωθεί ότι η λειτουργία της αντιστρέφεται, με τη βοήθεια ειδικής τετράοδης βαλβίδας, προκειμένου να παράξει το αντίθετο αποτέλεσμα (ψύξη αντί θέρμανσης).