Αντλίες θερμότητας CO₂ για ενεργειακή αναβάθμιση με μηδενικό ενεργειακό αποτύπωμα

Η σημερινή επιτακτική ανάγκη για  την προστασία του περιβάλλοντος, ακολουθώντας τις οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης και το νομικό πλαίσιο στο οποίο υπάγονται (Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 517/2014), έχει οδηγήσει στην αύξηση της ζήτησης των Αντλιών Θερμότητας και την  παγκόσμια βιομηχανία κλιματισμού HVAC στην εύρεση εναλλακτικών ψυκτικών υγρών, προς κάλυψη των αναγκών του κλιματισμού, θέρμανσης και ζεστών νερών χρήσης της αγοράς, τόσο σε επαγγελματικές όσο και σε οικιακές εφαρμογές.  

Η διαδικασία αντικατάστασης των CFC (φθοροχλωράνθρακων) / HCFC υδροχλωροφθοράνθρακων) μέσων, επιταχύνεται ήδη σε όλο τον κόσμο, ενώ η σταδιακή κατάργηση των ρυπογόνων ουσιών που καταστρέφουν το όζον (ODS) είναι πλέον διεθνής απαίτηση.

Σήμερα, η πλειοψηφία των αντλιών θερμότητας που κυκλοφορούν στην αγορά χρησιμοποιούν ως ψυκτικό μέσο κυρίως συνθετικά, όπως R407C, R410A ή R32 τα οποία σε διαφορετική κλίμακα το καθένα, με βάση το Δυναμικό Πλανητικής Υπερθέρμανσης τους (GWP), επιβαρύνουν σημαντικά τον πλανήτη.

Μια πιο βιώσιμη επιλογή και η πλέον υποσχόμενη της σημερινής αγοράς, είναι η  στροφή στη χρήση φυσικών ψυκτικών μέσων, τα οποία υπάρχουν σε αφθονία στην ατμόσφαιρα και που το ενεργειακό αποτύπωμά τους στο περιβάλλον είναι μηδενικό.  

Το διοξείδιο του άνθρακα CO₂, γνωστό και ως R744, είναι ένα από τα λίγα μη τοξικά, χημικά αδρανή και μη εύφλεκτα φυσικά υγρά, που δεν συμβάλλει ούτε στην μείωση του όζοντος αλλά ούτε στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Είναι ένα πολύ ελκυστικό, ασφαλές και φιλικό στο περιβάλλον ψυκτικό μέσο με μηδενικό ODP=0 (Δυναμικό Καταστροφής του Όζοντος) και  ελάχιστο GWP =1 (Δυναμικό Πλανητικής Υπερθέρμανσης).  

Οι αντλίες θερμότητας CO2 αποτελούν σήμερα την πιο σύγχρονη και πολλά υποσχόμενη επιλογή  για  αποτελεσματική και «καθαρή» θέρμανση. Ως φυσικό ψυκτικό μέσο, το CO₂ έχει πολλά πλεονεκτήματα. Παράγει πολύ υψηλές θερμοκρασίες νερού έως 90°C, κατάλληλο για χρήση σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες νερού ή μαζική παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, με εξαιρετικά υψηλό βαθμό απόδοσης COP. Χάρη στο χαμηλό κινηματικό και δυναμικό ιξώδες του, διατηρεί σταθερές τις αποδόσεις του, ακόμη και σε ακραίες καιρικές συνθήκες έως και τους -7°C θερμοκρασία εξωτερικού περιβάλλοντος, ενώ με τις χαμηλές απώλειες πίεσης και τον εξαιρετικά υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας που διαθέτει, επιτυγχάνει σημαντική μείωση του μεγέθους του συμπιεστή και του ψυκτικού εξοπλισμού, καθιστώντας ολόκληρο το σύστημα εξαιρετικά συμπαγές. Έτσι, μία μονάδα απόδοσης μόνον 30KW, μπορεί να ικανοποιήσει απαιτήσεις παραγωγής ζεστού νερού έως και 8000lt/ημέρα στους 90°C ή και 15.000lt/ημέρα σε χαμηλότερη θερμοκρασία.

Η αντλία θερμότητας CO₂, λειτουργεί κατά τον ίδιο τρόπο όπως μια συμβατική αερόψυκτη αντλία θερμότητας, αντλώντας ενέργεια από το φυσικό περιβάλλον και αποδίδοντας την στο θερμαινόμενο νερό. Ωστόσο, λόγω των ιδιοτήτων του φυσικού ψυκτικού CO₂, για να λειτουργήσει αποτελεσματικά αλλά και για να επιτύχει το μέγιστο δυνατό ενεργειακό όφελος, απαιτείται πολύ προσεκτικός σχεδιασμός του υδραυλικού συστήματος, εξαιρετικός έλεγχος της ροής του νερού καθώς και της θερμοκρασίας του συστήματος θέρμανσης. Η απόδοση της αντλίας εξαρτάται επίσης από παράγοντες, όπως η ελάχιστη εξωτερική θερμοκρασία περιβάλλοντος, η σχετική υγρασία και οι συνθήκες προσαγωγής και επιστροφής του νερού στην αντλία.

Μια εγκατάσταση αντλίας θερμότητας CO₂, απαιτεί υποχρεωτικά την ύπαρξη ενός ή περισσοτέρων δοχείων αποθήκευσης νερού, τα οποία καλύπτουν τις προδιαγραφές μόνωσης για ελαχιστοποίηση των απωλειών διαστρωμάτωσης, αντοχή σε πίεση λόγω των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας και έναντι ρωγμών λόγω μεγάλων θερμοκρασιακών διαφορών. Σε μια μονάδα 30KW, απαιτείτε το ελάχιστο 500lt έως και 4000lt  αποθηκευτικών δοχείων ζεστού νερού. Η σωστή επιλογή, η διαστασιολόγηση της χωρητικότητας  καθώς και του τρόπου σύνδεσής τους, παράλληλα ή εν σειρά, προκύπτει με βάση τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής, τις ώρες της ενδεχόμενης λειτουργίας αποθήκευσης χωρίς κατανάλωση, σε συνδυασμό όμως αυστηρά με την κάλυψη των περιορισμών λειτουργίας της μονάδας, της θερμοκρασίας και της πίεσης. Η πίεση σχεδιασμού του υδραυλικού συστήματος, πρέπει να είναι 0,5 MPa το ελάχιστο. Επιπλέον για το σχεδιασμό απαιτείται επιπρόσθετος υδραυλικός εξοπλισμός όπως βάνες εκτροπής, βάνες αποκοπής και αισθητήρια ελέγχου.    

Σημαντικός παράγοντας που ορίζει το σωστό σχεδιασμό του συστήματος με χρήση αντλίας CO₂, είναι το χαμηλό κρίσιμο σημείο του (31,1°C και 7,38 MPa) και η υψηλή πίεση λειτουργίας (8,0 έως 11,0 MPa) της, χαρακτηριστικά στα οποία οφείλεται η δυνατότητα της για άμεση αύξηση της θερμοκρασίας του νερού από πολύ χαμηλή σε πολύ υψηλή  και που όμως απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή κατά το σχεδιασμό των στοιχείων του συστήματος.

Για την σωστή μελέτη και σχεδιασμό του υδραυλικού συστήματος, πρέπει  ο μελετητής να λάβει  αρχικά υπόψη του, πως η θερμοκρασία παραγωγής νερού της αντλίας μπορεί  να επιλεχθεί αυστηρά εντός των ορίων από  60°C η ελάχιστη έως και 90°C η μέγιστη. Το θερμαινόμενο αυτό νερό, μπορεί να τροφοδοτεί απευθείας το σύστημα κατανάλωσης μιας εφαρμογής, ενώ παράλληλα αποθηκεύεται στα δοχεία αποθήκευσης μέσω κατάλληλων αυτοματισμών που περιλαμβάνονται στον εγκέφαλο της μονάδας. Επιπλέον, η θερμοκρασία επιστροφής του νερού (feed water) που τροφοδοτεί την μονάδα, αποτελεί κρίσιμο και πολύ σημαντικό παράγοντα σχεδιασμού και πρέπει να ελέγχεται να είναι εντός του εύρους των 5°C η ελάχιστη και 30°C  η μέγιστη στους υπολογισμούς μας. Όσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία επιστροφής (feed water), τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης της μονάδας. Απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη θερμοκρασία επιστροφής ώστε να μην υπερβαίνει τους 30°C, για να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απόδοση αλλά και η σωστή λειτουργία της αντλίας.

Η διασφάλιση της μέγιστης θερμοκρασίας επιστροφής στην μονάδα, γίνεται μέσω των δοχείων αποθήκευσης και τον ορισμό του ονομαζόμενου dead zone(<30°C). Είναι το σημείο εντός του δοχείου,  όπου διασφαλίζουμε επάρκεια ποσότητας νερού κάτω των 30°C για την τροφοδοσία της αντλίας. Για τον έλεγχο της, απαιτείται η χρήση τριών έως εννέα αισθητηρίων εμβαπτιζόμενα σε ειδική διάταξη εντός των δοχείων, για  τον ακριβή έλεγχο έως και ανά 10% της διαστρωμάτωσης και  χωρητικότητάς τους. Για τον υπολογισμό της τελικής θερμοκρασίας dead zone και κατά πόσο αυτή θα είναι μειωμένη από τους 30°C, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και η θερμοκρασία νερού του δικτύου πόλης. Για παράδειγμα, αν το δίκτυο τροφοδοτεί την εγκατάσταση με 15°C, αυτή θα  είναι και η ελάχιστη δυνατή θερμοκρασία υπολογισμού εκκίνησης της μελέτης.

Λόγω των υψηλών αποδόσεων σε θέρμανση και της δυνατότητας με μικρό ονομαστικό φορτίο, της κάλυψη μεγάλων ποσοτήτων ζεστού νερού, οι μονάδες CO₂, καθίστανται ιδανικές και η πλέον σύγχρονη λύση για εφαρμογές μαζικής παραγωγής ζεστού νερού όπως σε ξενοδοχεία, νοσοκομεία, εκπαιδευτικά ιδρύματα, εστιατόρια κοκ. Τομείς δηλαδή που μέχρι σήμερα κυρίως καλύπτονταν από λέβητες πετρελαίου ή αέριου και  από μεγάλης απόδοσης ενεργειακών συμβατικών αντλιών. Παράδειγμα ενός ξενοδοχείου με απαίτηση περίπου 6500lt/ημέρα, με συμβατική αντλία παραγωγής 60°C R410, θα απαιτούσε περίπου 70kW αντλία με Δυναμικό Πλανητικής Υπερθέρμανσης GWP >1975. Με τη μονάδα CO₂ 30kW απόδοσης, με Μηδενικό Ενεργειακό Αποτύπωμα και GWP = 1, παρέχει στο ίδιο ξενοδοχείο τη δυνατότητα κάλυψης άνω των 8000lt ημερησίως, μειώνοντας δραστικά τα λειτουργικά έξοδα και συνεισφέροντας το μέγιστο δυνατό στην προστασία του περιβάλλοντος.

Οι εφαρμογές των μονάδων CO₂ σήμερα επεκτείνονται πλέον και σε οικιακές λύσεις, καλύπτοντας με τον πιο οικολογικό τρόπο τις ανάγκες σε θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης. Οι εφαρμογές αυτές, παρά την δυνατότητα παραγωγής 90°C, κυρίως απευθύνονται σε χαμηλής θερμοκρασίας συστήματα όπως είναι η θέρμανση δαπέδου, προκειμένου να μπορεί να ελεγχθεί με τον μικρότερο υδραυλικό εξοπλισμό εγκατάστασης, το μεγάλο ΔΤ προσαγωγής και επιστροφής του νερού θέρμανσης, όπως και οι απαιτούμενες θερμοκρασίες επιστροφής στην αντλία, ώστε να διασφαλιστεί το μέγιστο ενεργειακό αποτέλεσμα. Κάθε εφαρμογή μονάδας CO₂ είναι εφικτή, πάντα με τον κατάλληλο υπολογισμό και τη σωστή εγκατάσταση.

Συνοψίζοντας, οι Αντλίες Θερμότητας με ψυκτικό μέσο CO₂ (R477), αποτελούν σήμερα την καλύτερη και πιο οικονομική επιλογή για την ενεργειακή αναβάθμιση των κτιρίων, εκμηδενίζοντας τις εκπομπές ρύπων και μειώνοντας σημαντικά τα λειτουργικά έξοδα μιας επιχείρησης. Συμβάλουν στον πράσινο σχεδιασμό του μέλλοντος, ενώ είναι η ιδανική επιλογή για οργανισμούς που θέλουν να ανταποκριθούν στο σχέδιο μείωσης του άνθρακα με μια λύση μηδενικών εκπομπών, που συμμορφώνεται στους νέους αυστηρούς κανονισμούς για την ενεργειακή αναβάθμιση των κτιρίων, αξιοποιώντας τα οφέλη χρηματοδότησης μέσω προγραμμάτων για την ενεργειακή αναβάθμιση κτιρίων.

Άρθρο της Πέρσας Διπλούδη | Product & Sales Manager ATW Systems | Technical Director HVAC Systems του Ομίλου Τουρνικιώτη