Πραγματικό case study υβριδικής αντλίας θερμότητας για θέρμανση

Το αρχικό «πρόβλημα»

Ο ενδιαφερόμενος πελάτης δεν μπορούσε να προχωρήσει σε πλήρη εξηλεκτρισμό της κατοικίας. Πριν από μερικά χρόνια είχε ήδη επιλέξει την εγκατάσταση λέβητα συμπύκνωσης πετρελαίου, για την κάλυψη των θερμικών αναγκών των δύο επιπέδων που είχαν ανακαινιστεί και διέθεταν ενδοδαπέδια θέρμανση.

Επιλέχθηκε η διατήρηση του λέβητα, καθώς ήταν σχετικά νέος, πλήρως λειτουργικός και με περιορισμένες ώρες λειτουργίας.

Οι τεχνικές δυσκολίες επικεντρώνονταν στην επιλογή της κατάλληλης ισχύος της αντλίας θερμότητας. Η νέα εγκατάσταση έπρεπε να καλύπτει όχι μόνο τα υφιστάμενα δύο επίπεδα με ενδοδαπέδια θέρμανση, αλλά και δύο επιπλέον επίπεδα που εντάχθηκαν στους κατοικήσιμους χώρους και διέθεταν σύστημα εκπομπής υψηλής θερμοκρασίας, με θερμαντικά σώματα.

Το κτίριο είχε κατασκευαστεί το 1990, με σχεδιασμό για θερμοκρασίες προσαγωγής έως 75°C. Επομένως, η απευθείας αντικατάσταση του λέβητα από αντλία θερμότητας δημιουργούσε αβεβαιότητα ως προς την πλήρη κάλυψη των θερμικών φορτίων στις χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες. Παράλληλα, τα δύο βασικά επίπεδα της μονοκατοικίας είχαν ανακαινιστεί το 2012 βάσει του ΚΕΝΑΚ.

Ποια λύση προτείναμε και τι επιλέξαμε;

Αναλύθηκαν τρία διαφορετικά σενάρια:

• Διατήρηση μόνο του λέβητα: Η ισχύς του υφιστάμενου λέβητα, στα 19 kW, δεν επαρκούσε για την κάλυψη των αναγκών και των τεσσάρων επιπέδων.
• Πλήρης αντικατάσταση του λέβητα: Το σενάριο απορρίφθηκε, καθώς θα οδηγούσε στην πρόωρη απαξίωση ενός σύγχρονου και πλήρως λειτουργικού λέβητα συμπύκνωσης, με λίγες ώρες λειτουργίας. Επιπλέον, θα απαιτούσε πρόσθετη δαπάνη για την εγκατάσταση ενός εξ ολοκλήρου νέου συστήματος.
• Υβριδική λειτουργία: Επιλέχθηκε ως η βέλτιστη λύση, δεδομένης της νεότερης ηλικίας και της καλής λειτουργικής κατάστασης του λέβητα συμπύκνωσης πετρελαίου. Ο λέβητας De Dietrich μπορούσε να υποβοηθά το σύστημα όταν απαιτείται, αποφεύγοντας την ανάγκη επιλογής αντλίας θερμότητας μεγαλύτερης ισχύος.

Σχεδιασμός του συστήματος

Λειτουργία συστήματος

Η βασική αρχή λειτουργίας του υβριδικού συστήματος De Dietrich είναι ότι η αντλία θερμότητας λειτουργεί ως «master», αναλαμβάνοντας τη διαχείριση της θέρμανσης, της παραγωγής ζεστού νερού χρήσης και του δροσισμού.

Ο λέβητας συμπύκνωσης πετρελαίου λειτουργεί ως «slave», καλύπτοντας τις ανάγκες θέρμανσης και ζεστού νερού χρήσης όταν αυτό απαιτείται, βάσει της εξωτερικής θερμοκρασίας και της ζήτησης του κτιρίου, μέσω της ενσωματωμένης αντιστάθμισης.

Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε δοχείο αδρανείας 150 lt, το οποίο συμβάλλει τόσο στην αποθήκευση θερμικής ενέργειας όσο και στη σταθεροποίηση της λειτουργίας του συστήματος, μειώνοντας τις συχνές εκκινήσεις και παύσεις της αντλίας θερμότητας.

Το σημαντικότερο κεφάλαιο

Στρατηγική ελέγχου

«Μελετήθηκε το κτίριο 320 m² με μικτό σύστημα εκπομπής, αποτελούμενο από ενδοδαπέδια θέρμανση και θερμαντικά σώματα, και επιλέχθηκε η λύση που βελτιστοποιεί την πραγματική εποχιακή απόδοση, αντί να διαστασιολογείται αποκλειστικά για ακραίες θερμοκρασίες που εμφανίζονται λίγες ημέρες ή ώρες τον χρόνο».

Για τον λόγο αυτό, η επιλογή ισχύος δεν βασίστηκε σε ακραίες και σπάνιες εξωτερικές συνθήκες, αλλά στο πραγματικό προφίλ λειτουργίας της κατοικίας. Λήφθηκαν υπόψη η υψηλή συμμετοχή της ενδοδαπέδιας θέρμανσης, η θερμική αδράνεια του κελύφους και οι κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής του Κορωπίου.

• Πάνω από το 90% της χειμερινής περιόδου στο Κορωπί εξελίσσεται σε εξωτερικές θερμοκρασίες μεταξύ 5°C και 15°C.

Επομένως, μια αντλία θερμότητας 16 kW καλύπτει σχεδόν το σύνολο της απαιτούμενης διάρκειας λειτουργίας, χωρίς υπερδιαστασιολόγηση.

Αποφεύχθηκε η διαστασιολόγηση της αντλίας θερμότητας με κριτήριο τη χαμηλότερη ή την ακραία θερμοκρασία του χειμώνα, καθώς ο υφιστάμενος λέβητας μπορούσε να υποβοηθήσει το σύστημα για την κάλυψη των υπολειπόμενων θερμικών αναγκών.

Πότε λειτουργεί η αντλία θερμότητας;

Η αντλία θερμότητας λειτουργεί αυτόνομα για εξωτερικές θερμοκρασίες άνω των 5°C. Από τους 5°C έως τους -2°C, το σύστημα λειτουργεί υβριδικά, με συνδυαστική λειτουργία αντλίας θερμότητας και λέβητα. Κάτω από τους -2°C, η κάλυψη των αναγκών γίνεται με υποβοήθηση από τον λέβητα.

Το δισθενές σημείο (Bivalence Point), δηλαδή το σημείο μετάβασης στη μικτή λειτουργία, ορίστηκε στους 5°C.

Μετρήσεις και αποτελέσματα

Τι δεν πήγε όπως αναμενόταν

Η πραγματικότητα ήταν ελαφρώς διαφορετική ως προς τη βασική τεχνική δυσκολία που προέκυψε. Καθώς η αντλία θερμότητας λειτουργεί ως master του συστήματος, δημιουργήθηκε ζήτημα διαχείρισης της χαμηλής θερμοκρασίας προσαγωγής που απαιτεί η ενδοδαπέδια θέρμανση, σε σχέση με τις υψηλότερες θερμοκρασίες που απαιτούσαν τα θερμαντικά σώματα των δύο άλλων επιπέδων.

Η δυσκολία αυτή αντιμετωπίστηκε με:

• την τοποθέτηση θερμοστατικών κεφαλών σε όλα τα θερμαντικά σώματα,
• την εγκατάσταση τριών υδραυλικών μονάδων ελέγχου θερμοκρασίας,
• τη ρύθμιση της θερμοκρασίας προσαγωγής ανάλογα με το μέσο εκπομπής και τις ανάγκες κάθε ζώνης,
• τον ορισμό της θερμοκρασίας λειτουργίας των κυκλωμάτων με θερμαντικά σώματα στους 50°C.

Τι μάθαμε

• Η αντλία θερμότητας δεν πρέπει απαραίτητα να διαστασιολογείται για το 100% του θερμικού φορτίου.
• Η σωστή αντιστάθμιση επηρεάζει περισσότερο την κατανάλωση από μια αύξηση ισχύος κατά 2 kW.
• Η υβριδική λειτουργία αποτελεί ιδανική επιλογή για υφιστάμενα δίκτυα υψηλών θερμοκρασιών.

Η εγκατάσταση αντλίας θερμότητας απέδειξε ότι, σε ένα υφιστάμενο κτίριο του 1990 με θερμαντικά σώματα, η υβριδική λύση επέτρεψε:

• κάλυψη του 64% της ετήσιας ενέργειας από την αντλία θερμότητας,
• μείωση του λειτουργικού κόστους κατά 54%,
• μείωση εκπομπών CO₂ κατά 61%,
• χρόνο απόσβεσης 5,8 έτη.