Αντλία θερμότητας (heat pump) ονομάζουμε τη μηχανολογική διάταξη που μας επιτρέπει να μεταφέρουμε ενέργεια από έναν χώρο χαμηλής θερμοκρασίας, σε έναν χώρο υψηλότερης θερμοκρασίας.
Ήδη από τον ορισμό, γίνεται φανερό ότι οι αντλίες θερμότητας σχεδιάζονται για να μεταφέρουν θερμότητα (θερμική ενέργεια) με φορά αντίθετη από αυτήν της φυσικής ροής. Για την μεταφορά αυτή, απαιτείται κατανάλωση ενέργειας.
(Όπως ακριβώς στην υδραυλική, το νερό πηγαίνει μόνο του (ρέει) από το ψηλό σημείο στο χαμηλό (λόγω βαρύτητας) και χρειαζόμαστε μια αντλία νερού για να μεταφέρουμε το νερό αντίθετα με την φυσική του ροή (να το ανεβάσουμε ψηλότερα), έτσι και η θερμική ενέργεια “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).
Αρχή λειτουργίας των αντλιών θερμότητας
Οι αντλίες θερμότητας λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο που λειτουργούν όλα τα ψυκτικά μηχανήματα και η λειτουργία τους βασίζεται στις ίδιες αρχές που εφαρμόζονται στα ψυγεία, καταψύκτες, κλιματιστικά μηχανήματα κ.λ.π. Η λειτουργία τους βασίζεται στον ψυκτικό κύκλο, που είναι ένας αέναος κύκλος εκτόνωσης και συμπίεσης ενός ρευστού (εργαζόμενο μέσο) σύμφωνα με το 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 η θερμότητα που απέδωσε κατά την συμπίεση ο συμπιεστής. Στη συνέχεια, 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 (ενέργεια) στη θέση 1 και προσλαμβάνεται (ενέργεια) στη θέση 3, άρα εφόσον ο κύκλος είναι διαρκής υπάρχει μια διαρκής μεταφορά θερμότητας από το σημείο 3 στο σημείο 1 και συνεπώς με τον ψυκτικό κύκλο μπορούμε να μεταφέρουμε θερμότητα (ενέργεια) μεταξύ δυο σημείων.
Η λειτουργία αυτή (η μεταφορά θερμότητας από ένα σημείο σε ένα άλλο) είναι που έδωσε το όνομα “αντλίες θερμότητας” στις συσκευές που λειτουργούν με βάση τον ψυκτικό κύκλο.
Είδη αντλιών θερμότητας
Ανάλογα με το ρευστό στο οποίο αποβάλει (ή από το οποίο προσλαμβάνει) την ενέργεια η αντλία στα σημεία (1) και (3) του ψυκτικού κύκλου, οι αντλίες θερμότητας ταξινομούνται σε:
1. Αντλίες θερμότητας αέρος / αέρος
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 αέρος / 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.
Στις αντλίες αυτές 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 με πύργο ψύξης και οι αντλίες νερού / νερού που χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις με γεωεναλλάκτη (γεωθερμικές) .
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).
Βαθμός απόδοσης αντλιών θερμότητας
Η ροή ενέργειας σε μια αντλία θερμότητας που λειτουργεί σε κατάσταση θέρμανσης, έχει όπως στο παρακάτω 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 “θερμό” είναι ο χώρος, το “ψυχρό” το περιβάλλον, και το ζητούμενο είναι το Q2, ενώ όταν αυτή λειτουργεί σε κατάσταση ψύξης, το “ψυχρό” είναι ο χώρος, το “θερμό” είναι το περιβάλλον και το ζητούμενο είναι το Q1.
Ο ενεργειακός ισολογισμός στο σχήμα, απαιτεί
Q2 = Q1 + W.
Βαθμός απόδοσης σε λειτουργία θέρμανσης
Ο λόγος της μεταφερόμενης θερμότητας προς το καταναλισκόμενο έργο (Q2 / W σε θέρμανση), ονομάζεται ειδικός βαθμός απόδοσης της αντλίας (COP, coefficient of performance).
Βαθμός απόδοσης σε λειτουργία ψύξης
Ο λόγος της μεταφερόμενης θερμότητας προς το καταναλισκόμενο έργο (Q1 / W σε ψύξη), ονομάζεται βαθμός ενεργειακής απόδοσης της αντλίας (EER, energy efficiency ratio).
Τόσο ο ειδικός βαθμός απόδοσης COP όσο και ο βαθμός ενεργειακής απόδοσης EER εξαρτώνται:
– από τη θερμοκρασία της “πηγής” (ΤQ1)
– από τη θερμοκρασία του “αποδέκτη” (ΤQ2)
– από τα μηχανικά χαρακτηριστικά της αντλίας θερμότητας
– από τις ιδιότητες του εργαζόμενου μέσου.
και μεταβάλλονται διαρκώς, αφού τόσο η θερμοκρασία του ψυχρού (περιβάλλοντος στη θέρμανση – χώρου στην ψύξη) όσο και η θερμοκρασία θερμού (χώρου στη θέρμανση – περιβάλλοντος στην ψύξη) δεν είναι σταθερές, αλλά διαρκώς μεταβάλονται.
Για την αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης των αντλιών θερμότητας έχει καθιερωθεί η μέτρηση του COP και του EER σε τυποποιημένες συνθήκες (συνθήκες Eurovent) που είναι:
για τη θέρμανση
Θερμοκρασία θερμού = 20οC και
Θερμοκρασία εισόδου εξωτερικού αέρα 7oC / 6oC WB (ψυχρού)
και για την ψύξη
Θερμοκρασία θερμού = 27οC και
Θερμοκρασία εισόδου εξωτερικού αέρα 35oC / 6oC WB
Οι βαθμοί απόδοσης σε συνθήκες Eurovent χαρακτηρίζουν την ποιότητα κατασκευής μιας αντλίας θερμότητας, αφού ο υπολογισμός τους αναφέρεται στις ίδιες συνθήκες για όλες τις αντλίες .
Επειδή όμως σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας οι θερμοκρασίες δεν ισούνται με τις θερμοκρασίες που καθορίζονται στο πρότυπο Eurovent, ορίζουμε και τον μέσο ή ετήσιο ειδικό βαθμό απόδοσης SCOP (για την θέρμανση) και τον μέσο ή ετήσιο βαθμό ενεργειακής απόδοσης SEER (για λειτουργία ψύξης) οι οποίοι είναι στην ουσία οι μέσοι βαθμοί απόδοσης μιας αντλίας θερμότητας σε ετήσια λειτουργία και αυτοί οι βαθμοί αποτελούν το καλύτερο κριτήριο αξιολόγησης της ενεργειακής απόδοσης μιας αντλίας θερμότητας.
Στις σύγχρονες αντλίες θερμότητας συναντάμε τιμές COP και EER μεγαλύτερες του 3.0, γεγονός που τις κατατάσσει στις συσκευές αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών . Τιμή COP (ή EER) ίση με 3.0 σημαίνει ότι για κάθε μονάδα ενέργειας που καταναλώνει μια αντλία θερμότητας, μεταφέρει (αποδίδει) τρεις (3) μονάδες ενέργειας.
Αντλίες θερμότητας για οικιακή χρήση
Τα τελευταία χρόνια η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας inverter επέτρεψε την κατασκευή αντλιών θερμότητας υψηλής απόδοσης και μικρού μεγέθους σε λογικό κόστος παραγωγής.
Η συνεχιζόμενη αύξηση της τιμής των καυσίμων που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για τη θέρμανση κατοικιών (πετρέλαιο, φυσικό αέριο κ.λ.π.) σε συνδυασμό με το διαρκώς μειούμενο κόστος κτήσης των αντλιών θερμότητας, καθιστά τις “οικιακές” αντλίες θερμότητας πλέον μια συμφέρουσα επιλογή για τη θέρμανση της σύγχρονης κατοικίας.
Οι οικιακές αντλίες θερμότητας ξεκινούν από μεγέθη κοντά στα 6kW, φτάνουν μέχρι και τα 20kW, και μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες για θέρμανση και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης για εφαρμογές σε μικρά διαμερίσματα, μονοκατοικίες και μικρές οικοδομές.
Πλεονεκτήματα σχετικά με την χρήση αντλίας θερμότητας
Οικονομία- αποδοση
Με μικρό επιπλέον κόστος, που αντιστοιχεί:
- στην αγορά μίας αντλίας θερμότητας, αντί για λέβητα και δεξαμενή
- στην εγκατάσταση fan coils αντί για σώματα καλοριφέρ
κερδίζετε:
- ψύξη για το καλοκαίρι, δηλαδή γλιτώνετε και το κόστος αγοράς κλιματιστικών σε κάθε δωμάτιο
- φθηνό ζεστό νερό κάθε μέρα, όλη μέρα, δηλαδή γλιτώνετε και το κόστος αγοράς και εγκατάστασης ηλιακού και ηλεκτρικού θερμοσίφωνα για το χειμώνα.
Η αίσθηση θερμότητας με χρήση αντλιών θερμότητας
Η έλλειψη αντικειμενικής ενημέρωσης οδηγεί και σε παρεξηγήσεις που έχουν να κάνουν με το πόσο… ευχάριστη είναι η θέρμανση από την αντλία θερμότητας. Η απάντηση είναι μία: η αίσθηση είναι κορυφαία, καλύτερη ακόμα και από το καλοριφέρ, με μεγαλύτερη και ταχύτερη διάχυση της θερμότητας στο χώρο και χωρίς κανένα από τα αρνητικά φαινόμενα που παρουσιάζουν τα κλιματιστικά, οι υπέρυθρες, τα τζάκια κ.λπ. Εάν επιλεχθεί μάλιστα η λύση των κρυφών αεραγωγών, μπορούμε να έχουμε επίσης αερισμό, εξαερισμό και φιλτράρισμα του αέρα.
Το αισθητικό θέμα σχετικά με τις αντλίες θερμότητας
Κάποιους ιδιώτες, αλλά και αρχιτέκτονες, ενδιαφέρουν και τα θέματα αισθητικής. Οι αντλίες θερμότητας είναι καλύτερες και εκεί:
- ένα μόνο μηχάνημα μικρών διαστάσεων σε εξωτερικό χώρο
- ελάχιστη κατάληψη χώρου εσωτερικά, με μοντέρνα fan coils (slim) μικρότερων διαστάσεων από σώματα καλοριφέρ, ενδοδαπέδια σωλήνωση ή τελείως κρυφούς αεραγωγούς.
