Βρείτε ποια αντλία θερμότητας είναι σωστή επιλογή για εσάς με βάση την εφαρμογή της

Με το κόστος θέρμανσης συνεχώς να αυξάνεται, η κάλυψη μίας εκ των βασικών αναγκών έχει φτάσει να αποτελεί για πολλούς ανθρώπους πολυτέλεια. Με τις τιμές ενέργειας να αυξάνονται συνεχώς και τα συμβατικά θέρμανσης να έχουν υψηλό κόστος λειτουργίας και βλαβερές συνέπειες για το περιβάλλον, πολλοί είναι εκείνοι που θα αναζητήσουν καλύτερες και πιο αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις.

Τα τελευταία χρόνια οι λύσεις που προτείνονται είναι αρκετές και εστιάζουν κυρίως στην μείωση του κόστους θέρμανσης, ακόμη και με την επαναφορά παλαιότερων τεχνολογιών (ηλεκτρικοί θερμοσυσσωρευτές, σόμπες, αερόθερμα), που υπόσχονται σημαντική οικονομία στην θέρμανση. Επειδή οι τιμές ενέργειας αναπροσαρμόζονται διαρκώς και παρόλο που πολλές από τις εναλλακτικές λύσεις που προτείνονται έχουν στην πραγματικότητα δαπανηρό κόστος λειτουργίας, δημιουργείται στον καταναλωτή η εντύπωση πως, εφόσον ένας ηλεκτρικός λέβητας ή ένα πάνελ υπέρυθρων ζεσταίνουν επαρκώς την κατοικία του, αποτελούν αναγκαστικά και την πιο οικονομική επιλογή.

Στην πραγματικότητα, ο οικονομικότερος τρόπος θέρμανσης αυτή τη στιγμή και με τις δεδομένες τιμές ενέργειας, είναι η αντλία θερμότητας. Σε έρευνα του Εργαστηρίου Ατμοκινητήρων και Λεβήτων του ΕΜΠ με τη συνεργασία του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων του ΕΚΕΤΑ για τη σύγκριση κόστους θέρμανσης των διαφορετικών προτεινόμενων τεχνολογιών, η αντλία θερμότητας είχε ξεκάθαρη υπεροχή στο κόστος λειτουργίας, τόσο σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα πετρελαίου και αερίου, όσο και με τις υπόλοιπες εναλλακτικές.

Με τον κλάδο κατασκευής ιδιαίτερα στον τομέα νέων κατοικιών να έχει συρρικνωθεί σημαντικά ύστερα από την οικονομική κρίση, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται πλέον στην αντικατάσταση συμβατικών συστημάτων πετρελαίου σε συνδυασμό με κλασσικά σώματα υψηλών θερμοκρασιών (καλοριφέρ). Στην Ελλάδα, το ποσοστό επί των πωλήσεων αντλιών θερμότητας που αντικαθιστούν τις υπάρχουσες δομές ξεπερνά το 75% ετησίως, με το υπόλοιπο να αφορά σε νέες κατοικίες.

Η αντικατάσταση των συστημάτων αφορά επομένως κυρίως τα κλασικά σώματα υψηλών θερμοκρασιών, όπου οι θερμοκρασίες λειτουργίας στη μεγάλη τους πλειοψηφία κυμαίνονται  μεταξύ 60-75℃. Το ζητούμενο σε μια τέτοια εφαρμογή είναι η δυνατότητα νερού προσαγωγής αντίστοιχων θερμοκρασιών και με τρόπο πιο οικονομικό από αυτόν ενός συμβατικού λέβητα, ενώ υπάρχει πάντοτε η επιθυμία για όσο το δυνατόν μικρότερη επέμβαση στο εσωτερικό της κατοικίας.

Με δεδομένο συνεπώς πως ο οικονομικότερος τρόπος θέρμανσης είναι η χρήση συστήματος αντλίας θερμότητας, ακολουθούν οι διαθέσιμες προτάσεις της αγοράς για την περίπτωση κατοικίας με κλασσικά θερμαντικά σώματα, στην οποία ο λέβητας καταργείται ή μένει σαν εφεδρεία της αντλίας θερμότητας.

Πρόταση Α: Μονοβάθμια αντλία θερμότητας αέρος νερού προσαγωγής 50-55℃
Μέχρι πριν από δύο χρόνια οι περισσότερες αντλίες θερμότητας αέρος νερού της αγοράς χρησιμοποιούσαν ένα ψυκτικό κύκλωμα και ως ψυκτικό μέσο το R410a: o εναλλάκτης της εξωτερικής μονάδας απορροφά την θερμότητα από τον αέρα του περιβάλλοντος και την μεταφέρει με τη βοήθεια του ψυκτικού κυκλώματος και του κυκλώματος νερού στο χώρο, δίνοντας έτσι στον μηχανισμό την ονομασία του. Τα συγκεκριμένα συστήματα είναι σχεδιασμένα ώστε στη λειτουργία θέρμανσης να έχουν τις βέλτιστες αποδόσεις σε θερμοκρασίες νερού προσαγωγής κοντά στους 35℃, συνεπώς είναι ιδανικά για χρήση με ενδοδαπέδια θέρμανση ή μονάδες fan coils.
Ενδεικτικά, με εξωτερική θερμοκρασία 7℃ και για τη συγκεκριμένη θερμοκρασία νερού προσαγωγής ο βαθμός απόδοσης (COP) μπορεί να ξεπεράσει ακόμη και το 5, που μεταφράζεται σε 500% απόδοση. Κάτι τέτοιο σημαίνει πως για κάθε 1kWh που καταναλώνεται, αποδίδονται 5 kWh θερμικές στο χώρο. Αυτό που διαφοροποιεί την αντλία θερμότητας από τα υπόλοιπα συστήματα θέρμανσης είναι πως δεν παράγει θερμότητα, αλλά τη μεταφέρει με τη βοήθεια του ψυκτικού κυκλώματος.

Πρέπει να σημειωθεί πως μία μονοβάθμια αντλία θερμότητας συνδεόμενη με υφιστάμενα σώματα υψηλών θερμοκρασιών, προϋποθέτει τη ρύθμισή της σε λειτουργία στο μέγιστο της θερμοκρασίας προσαγωγής το οποίο έχει τις ακόλουθες συνέπειες:

Ο βαθμός απόδοσης να είναι πολύ κάτω από το 2,5 και μάλιστα σε εξωτερικές θερμοκρασίες της τάξης των 7℃. Σε χαμηλότερες εξωτερικές θερμοκρασίες λίγων βαθμών ή κάτω από το μηδέν, η απόδοση θα είναι κοντά στην απόδοση ενός ηλεκτρικού λέβητα.
Σε χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες, πέρα από την κατακόρυφη πτώση του βαθμού απόδοσης, αφενός δεν επιτυγχάνεται η θερμοκρασία στόχου και αφετέρου οι εφεδρικές αντιστάσεις των συστημάτων είναι σε συνεχή λειτουργία. Όμως ο λόγος ύπαρξης εφεδρικών αντιστάσεων υφίσταται ώστε να καλύπτονται περιστασιακά κάποια ακραία φορτία χωρίς να υπερδιαστασιολογηθεί η αντλία, όχι για να δίνονται σε μόνιμη βάση υψηλότερες θερμοκρασίες προσαγωγής, ιδιαίτερα όταν από θερμοδυναμική άποψη κάτι τέτοιο είναι αδύνατον.
Ακόμα και με τη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία προσαγωγής της μονάδας, καθυστερεί υπερβολικά η επίτευξη της επιθυμητής θερμοκρασίας χώρου ή και δεν επιτυγχάνεται ποτέ. Σε αυτήν την περίπτωση ο υπεύθυνοι εγκατάστασης θα προτείνουν αλλαγή όλων ή ορισμένων θερμαντικών σωμάτων με μονάδες fan coils ή με μεγαλύτερα σώματα, μη διακοπτόμενη λειτουργία της θέρμανσης, προσθήκη δοχείου αδρανείας και πολλές φορές συνδυασμό κάποιων ή και όλων των παραπάνω.

Αν παρόλα αυτά ο σχεδιασμός του συστήματος θέρμανσης είχε γίνει για υψηλότερες θερμοκρασίες προσαγωγής τότε απαιτείται ριζική ανακαίνιση του δικτύου σωληνώσεων και σωμάτων ώστε να λυθεί το πρόβλημα.

Πρόταση Β: Αντλία θερμότητας μεσαίων θερμοκρασιών αέρος νερού προσαγωγής 60-70℃
Οι επονομαζόμενες και αντλίες μεσαίων θερμοκρασιών θερμότητας έχουν δυνατότητα προσαγωγής νερού θερμοκρασίας 60-70℃. Οι τεχνολογίες για την επίτευξη του συγκεκριμένου στόχου είναι πολλές και υπάρχουν στην αγορά εδώ και πολλά χρόνια (dual compression, dual compression CO2, enhanced vapor injection, dual compression+vapor injection κ.α.), ενώ σήμερα αποτελούν πλειοψηφία μετά την εμφάνιση μονάδων που λειτουργούν με ψυκτικό R32. Η πρώτη αντλία θερμότητας οικιακών εφαρμογών με R32 παρουσιάστηκε από τη Daikin το Νοέμβριο του 2017 και υιοθετήθηκε ως λύση από το σύνολο της αγοράς μετά και την απελευθέρωση μεγάλου αριθμού ευρεσιτεχνιών από την Daikin για το σκοπό αυτό.

Το κοινό χαρακτηριστικό των αντλιών μεσαίων θερμοκρασιών είναι η βελτιωμένη αποδοτικότητα σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος σε σύγκριση με τις μονάδες χαμηλών θερμοκρασιών με ψυκτικό R410a. Παράλληλα, τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ψυκτικού μέσου επιτρέπουν θερμοκρασίες προσαγωγής έως τους 70℃.

Με δεδομένη και εδώ την ανάγκη για σύνδεση με τα υφιστάμενα σώματα και αυτές οι μονάδες θα πρέπει να λειτουργήσουν στα όριά τους. Σχεδόν πάντα θα ζητηθεί υψηλή θερμοκρασία που έχει ως αποτέλεσμα βαθμούς απόδοσης κοντά στο 2 (π.χ. ζήτηση 65℃ νερού στους 2℃ εξωτερική θερμοκρασία).

Παρόλα αυτά, μία καλά ρυθμισμένη αντιστάθμιση θα περιορίσει στο ελάχιστο την περίοδο λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες προσαγωγής και όταν αυτό είναι αναγκαίο θα γίνεται είτε θερμοδυναμικά, είτε με τη βοήθεια ηλεκτρικής αντίστασης. Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως το σύστημα έχει σχεδιαστεί για λειτουργία με συγκεκριμένες θερμοκρασίες και κάθε επέμβαση στη θερμοκρασία καθιστά το αποτέλεσμα απόδοσης αμφίβολο. Καμία αντιστάθμιση, κανένας αυτοματισμός και κανένα δοχείο αδρανείας δεν μπορούν να βοηθήσουν, όταν τα εγκατεστημένα σώματα έχουν επιλεγεί για λειτουργία νερού π.χ. 60℃ και πάνω. Εάν τα σώματα είναι υπερδιαστασιολογημένα, η θέρμανση πολύ πιθανόν να επιτευχθεί με τους 55℃ ή τους 65℃ αλλά δεν θα ισχύει το ίδιο για την εξοικονόμηση.

Και αυτές οι μονάδες ενδείκνυνται για χρήση με ενδοαδαπέδια ή μονάδες fan coils και η δυνατότητα ακόμη υψηλότερης θερμοκρασίας είναι η αποτελεσματική παραγωγή ζεστού νερού χρήσης.

Πρόταση Γ: Αντλία θερμότητας αέρος νερού προσαγωγής 80℃ cascade τεχνολογίας (με δύο ανεξάρτητα ψυκτικά κυκλώματα) Daikin Altherma Υψηλών Θερμοκρασιών
Η συγκεκριμένη τεχνολογία χρησιμοποιεί δύο ανεξάρτητα ψυκτικά κυκλώματα με διαφορετικό ψυκτικό μέσο. Υπάρχει στην αγορά εδώ και αρκετά χρόνια αποτελώντας τη λύση τόσο για συστήματα θέρμανσης όσο και ψύξης. Την τελευταία δεκαετία ήρθε στο προσκήνιο λόγω των τιμών των ορυκτών καυσίμων και της απόδοσής της, όταν ζητούμενο είναι οι υψηλές θερμοκρασίες νερού προσαγωγής.

Στο διάγραμμα (Διάγραμμα 1) εικονίζεται μια τυπική διάταξη συστήματος υψηλών θερμοκρασιών cascade τεχνολογίας.
Δύο inverter συμπιεστές αναλαμβάνουν ο μεν πρώτος να μεταφέρει τη θερμότητα που απορροφάται στον εναλλάκτη της εξωτερικής μονάδας προς το δεύτερο κύκλωμα για τον βέλτιστο βαθμό απόδοσης και ο δεύτερος την ανύψωση του σημείου συμπύκνωσης σε τέτοιο επίπεδο ώστε να υπάρξει επιθυμητή θερμοκρασία προσαγωγής (35-80℃).

Το ψυκτικό κύκλωμα που χρησιμοποιεί ψυκτικό μέσο R410Aa είναι αντίστοιχο με τα συστήματα της Πρότασης Α με μία διαφορά: o στόχος συμπύκνωσης του κυκλώματος δεν είναι οι 60 ή παραπάνω βαθμοί που θα οδηγούσαν σε ιδιαίτερα χαμηλό βαθμό απόδοσης, όπως στις μονοβάθμιες αντλίες. Η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλότερη και ο στόχος είναι να μεταφερθεί η θερμότητα στο δεύτερο ψυκτικό κύκλωμα με όσο το δυνατό υψηλότερο βαθμό απόδοσης. Εκεί αναλαμβάνει ο δεύτερος inverter συμπιεστής και το κύκλωμα του R134a, δίνοντας θερμοκρασίες νερού μέχρι και 80℃.

Στο Διάγραμμα 2 φαίνονται:

Με δεδομένη την ανάγκη για χρήση νερού υψηλών θερμοκρασιών, η συγκεκριμένη τεχνολογία υπερτερεί τόσο όσον αφορά τη δυνατότητα επίτευξης της επιθυμητής θερμοκρασίας όσο και του βαθμού απόδοσης με την οποία το επιτυγχάνει.

Το COP της τάξης του 2,4 για το σύστημα υψηλών θερμοκρασιών στους 80℃ είναι ανάλογο με το βαθμό απόδοσης που παρουσιάζουν αντλίες χαμηλών ή μεσαίων θερμοκρασιών στους 45℃ και 60℃ αντίστοιχα. Αντίστοιχα οι αντλίες χαμηλών και μεσαίων θερμοκρασιών υπερτερούν όταν το μέσο θέρμανσης είναι η ενδοδαπέδια θέρμανση ή μονάδες fan coils.

Συμπεράσματα
Η χρήση της αντλίας θερμότητας στη θέρμανση των κατοικιών είναι αδιαμφισβήτητα ο οικονομικότερος τρόπος θέρμανσης. Οι αντλίες θερμότητας χαμηλών και μεσαίων θερμοκρασιών αποτελούν ιδανική λύση για θέρμανση αλλά και για ψύξη στις καινούριες κατοικίες σε συνδυασμό με ενδοδαπέδια συστήματα θέρμανσης και δροσισμού και μονάδες fan coils.

Σε εφαρμογές αντικατάστασης συμβατικού συστήματος πετρελαίου και κλασσικών θερμαντικών σωμάτων που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες προσαγωγής, η χρήση αντλίας θερμότητας τεχνολογίας cascade προσφέρει την πλέον αποδοτική λύση όσον αφορά το κόστος λειτουργίας και παράλληλα την πιο εγγυημένη όσον αφορά τη δυνατότητα επίτευξης της θερμοκρασίας ακόμα και των 80℃ ανεξαρτήτως της εξωτερικής θερμοκρασίας.

Επομένως, προκειμένου ο μηχανικός, ο υπεύθυνος εγκατάστασης και ο πελάτης να μπορέσει να συγκρίνει και να υπολογίσει με ακρίβεια το κόστος λειτουργίας, πρέπει να αναζητήσει τους βαθμούς απόδοσης για τις μονάδες που θα εγκατασταθούν, με βάση τη θερμοκρασία λειτουργίας του υπάρχοντος συστήματός. Αυτή η προσέγγιση θα επιτρέψει να επιλέγεται πάντοτε η κατάλληλη μονάδα για την κάθε περίπτωση.