Η αλήθεια για τα συστήματα οικιακής θέρμανσης

Ο επιστημονικός σύλλογος Διπλωματούχων Μηχανολόγων Ηλεκτρολόγων Δυτικής Μακεδονίας, αναλαμβάνει την παρούσα πρωτοβουλία ενημέρωσης του καταναλωτικού κοινού, όσον αφορά στα συστήματα οικιακής θέρμανσης. Το έναυσμα της εν λόγω προσπάθειας, αποτέλεσε η πληθώρα προσφερομένων εναλλακτικών συστημάτων θέρμανσης και η συχνά ηθελημένη ή αθέλητη παραπλανητική διαφήμιση αυτών. Ο σκοπός δε της εν λόγω προσπάθειας, είναι η αντικειμενική και επιστημονική ενημέρωση του καταναλωτικού κοινού, ώστε να καταστεί ικανό να επιλέξει το κατάλληλο σύστημα θέρμανσης και να προστατευτεί από λανθασμένες επιλογές.
ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Η ενέργεια, αφηρημένη ως έννοια, χαρακτηρίζεται και προσδιορίζεται από τις διάφορες μορφές που αυτή λαμβάνει.
o Χημική ενέργεια, περιλαμβάνεται σε κάθε καύσιμο, στερεό, υγρό ή αέριο, όπως καύσιμη ξυλεία, πετρέλαιο, υγραέριο.
o Κινητική ενέργεια, περιλαμβάνεται σε κάθε σώμα που έχει ταχύτητα, ήτοι κινείται. Δυναμική ενέργεια, περιλαμβάνεται σε κάθε σώμα που βρίσκεται ακίνητο αλλά ψηλότερα από ένα επίπεδο αναφοράς.
o Πυρηνική ενέργεια, περιλαμβάνεται στα άτομα των στοιχείων.
o Ηλεκτρική ενέργεια, που προκύπτει από την κίνηση των ηλεκτρονίων.
o Θερμότητα, που είναι επίσης μία μορφή ενέργειας, που εμφανίζεται και αναγνωρίζεται μετρώντας την θερμοκρασία του στοιχείου.
Η ενέργεια μετριέται συνήθως σε KJ ή σε KWH, όπου μία KWH=3600 KJ.
ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ
Κάθε μορφή ενέργειας για να μετατραπεί σε μία άλλη, έχει έναν βαθμό απόδοσης (ΒΑ, efficiency), ο οποίος είναι πάντα μικρότερος της μονάδας. Για αυτό λέμε πως κάθε διεργασία μετατροπής ενέργειας, έχει πάντα μία απώλεια μικρή ή μεγάλη.
o Έτσι η μηχανή του αυτοκινήτου μετατρέπει την χημική ενέργεια του καυσίμου σε θερμότητα, η οποία μετατρέπεται με την σειρά της (απλοποιημένα) σε κινητική ενέργεια στον άξονα κίνησης. Ολικός ΒΑ μικρότερος από 40%.
o Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμοηλεκτρικό σταθμό έχει ΒΑ μικρότερο από 35%, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ έχει ΒΑ από 15 έως 40%.
o Η παραγωγή θερμότητας από ηλεκτρική ενέργεια έχει ΒΑ έως 99%.
Δεν υπάρχει τρόπος να μετατραπεί η ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα με μεγαλύτερο ΒΑ, όπως και αν γίνει αυτή η μετατροπή, όποιος και αν υπογράψει για το διαφορετικό και το παραπάνω, είτε Λιθουανός, είτε Κορεάτης, είτε Κογκολέζος. Επίσης όσον αφορά τα πάνελ υπέρυθρης ακτινοβολίας οικιακού τύπου, αυτά διαθέτουν θερμοκρασίας επιφανείας 95οC. Τα κοινά θερμαντικά σώματα διαθέτουν θερμοκρασία επιφανείας έως και 80οC. Γιατί τα πάνελ υπέρυθρης ακτινοβολούν «κάνοντας οικονομία» και τα κοινά σώματα όχι;
Απλά δεν είναι έτσι. Τα πάνελ υπέρυθρης ακτινοβολούν κατά 70% και κατά 30% θερμαίνουν τον αέρα, ενώ τα κοινά σώματα ακτινοβολούν κατά 65% και κατά 35% θερμαίνουν τον αέρα. Τα βιομηχανικά πάνελ υπέρυθρης με θερμοκρασία επιφανείας 800ο ακτινοβολούν κατά 90% και τότε πράγματι δεν θερμαίνουν τον αέρα, τουλάχιστον όχι άμεσα. Ο λέβητας μετατρέπει την χημική ενέργεια οποιουδήποτε καυσίμου σε θερμότητα στο νερό μεταφοράς. ΒΑ μικρότερος από 97%. Πόσο μικρότερος; Εξαρτάται από το καύσιμο και τον λέβητα. Γιατί ακούγεται στην αγορά πως υπάρχουν οι λέβητες συμπυκνώσεως με βαθμό απόδοσης άνω του 100%; Ξεκίνησε ως εμπορική διαφήμιση και κατέληξε σε αποδοχή και από τον τεχνικό κόσμο, όχι όμως από τον επιστημονικό. Ο ΒΑ είναι ο λόγος της αποδιδόμενης ενέργειας προς την προσδιδόμενη. Πως θα μπορούσαμε ποτέ να πάρουμε περισσότερο από αυτό που δίνουμε; Απλά δεν γίνεται, και δεν γίνεται να πάρουμε ούτε καν αυτό που δώσαμε, θα πάρουμε πάντα λιγότερο από αυτό που δίνουμε. Αυτή είναι η φύση που ζούμε, και δεν αλλάζει. Πως μπορώ όμως να εμφανίσω ΒΑ 110% ;
Η εξήγηση για όποιον ενδιαφέρεται:
«Όλα τα παραγόμενα καυσαέρια κατά την καύση οποιουδήποτε είδους καυσίμου περιέχουν υγρασία υπό μορφή ατμού. Αυτός ο ατμός, σε θερμοκρασία καυσαερίων άνω των 120οC, παραμένει ατμός και διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα. Ας το πούμε απλά, με τον ατμό στο καυσαέριο, η προδιδόμενη θερμότητα στον βαθμό απόδοσης, δηλαδή ο παρονομαστής είναι η Hu. Εάν όμως κατεβάσουμε την θερμοκρασία των καυσαερίων, ας πούμε στους 60οC, τότε η υγρασία που περιέχεται στο καυσαέριο θα υγροποιηθεί και θα αποδώσει μία επιπλέον θερμότητα στο νερό θέρμανσης. Τότε ο αριθμητής του ΒΑ έχει αυξηθεί κατά την υγροποίηση του ατμού και ομοίως ο παρονομαστής έχει αυξηθεί κατά την υγροποίηση του ατμού και έχει γίνει Ho, όπου Ho=Hu+υγροποίηση.
Παλαιότερα τα συστήματα θέρμανσης λειτουργούσαν με θερμοκρασία προσαγωγής 70-80οC και επιστροφής αντίστοιχα 55-60οC. Δεν είχε νόημα να μειωθεί η θερμοκρασία των καυσαερίων, εφόσον δεν θα μπορούσε να αποδώσει πλέον θερμότητα στο νερό. Έτσι ο ΒΑ ήταν “αποδιδόμενη/Hu” και βέβαια <1. Εάν όμως με χρήση ενδοδαπέδιας θέρμανσης, έχει νόημα να υποβιβάσουμε την θερμοκρασία καυσαερίων και να υγροποιήσουμε τον ατμό, τότε ο ΒΑ γίνεται “αποδιδόμενη+υγροποίηση/Ho” και βέβαια <1. Για να καταδείξουν οι κατασκευαστές των λεβήτων συμπύκνωσης το κέρδος από την υγροποίηση των ατμών, όρισαν δικό τους ΒΑ, ήτοι «αποδιδόμενη+υγροποίηση/Hu» ο οποίος είναι >1, δεν είναι επιστημονικά ευσταθής, και όμως τους βγήκε πολύ επιτυχημένος».
ΣΥΣΤΗΜΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ
’Έστω μία οικία συγκεκριμένη, δεδομένη σε συγκεκριμένο μέρος και τοποθεσία κάπου σε μας. Αυτή η οικία, για κάποιο συγκεκριμένο χειμώνα, έστω για το 2000, απαιτεί 20000 KWH για να διατηρηθούν οι χώροι της σε θερμοκρασιακές συνθήκες ευεξίας, σύμφωνα πάντα με τις απαιτήσεις των ενοίκων. Δηλαδή απαιτείται ετήσια θερμότητα 20000 KWH να μεταφερθούν στους χώρους της οικίας. Προσέξτε πως δεν μας ενδιαφέρει ούτε πόσα τετραγωνικά είναι η οικία, ούτε τι σύστημα θέρμανσης διαθέτει, ούτε τι ισχύ έχει, ούτε τι καίει, ούτε πως λεν τον ιδιοκτήτη της. Η οικία απαιτεί 20000 KWH και μπορεί αυτές να τις πάρει με ηλεκτρικές σόμπες, θερμοπομπούς, θερμοσυσσωρευτές, λέβητα αντιστάσεων, ιόντων, σώματα υπέρυθρης ή οτιδήποτε άλλο ηλεκτρικό, λέβητα πετρελαίου, υγραερίου, ξύλου, πέλλετς, τζάκι οποιουδήποτε τύπου και βεβαίως καίγοντας οτιδήποτε άλλο θα μπορούσε να φανταστεί ο ιδιοκτήτης ή ο κάθε καλοπροαίρετος ή κακοπροαίρετος εφευρέτης.
Το σίγουρο είναι πως θα απαιτηθούν 20000 KWH, ούτε μία λιγότερο.
Επομένως, το ερώτημα που τίθεται καθαρά και μόνον, είναι πόσο κοστίζει η KWH.
Και η απάντηση που πρέπει να δώσει ο κάθε καλοπροαίρετος κατασκευαστής ή έμπορος είναι τόσο κοστίζει η KWH. Οποιαδήποτε άλλη απάντηση του τύπου τόσο κοστίζει η ώρα, αυτό κάνει για τόσα τετραγωνικά και καίει τόσο, αυτό έχει βαθμό απόδοσης 150% και τώρα έγινε και 200% και αύριο θα γίνει ακόμα περισσότερο, είναι ηθελημένα ή αθέλητα απαντήσεις κακοπροαίρετες και ψευδείς. Και να πως προκύπτει το κόστος ανά KWH.
o Έστω λέβητας πετρελαίου με ΒΑ 90%, κόστος πετρελαίου 1,40 €/lt, θερμογόνος ικανότητα πετρελαίου 11.78 KWH/Kg, πυκνότητα ρ=880 Kg/m3.
Κόστος 1,4/0,88/11,78/0,90=0,150 €/KWH.
Εάν ο λέβητας είχε βαθμό απόδοσης 80%, το κόστος θα ήταν 0.168 €/KWH.
o Έστω λέβητας αερίου με ΒΑ 93%, κόστος υγραερίου 0,80 €/lt, θερμογόνος ικανότητα 12,79 KWH/Kg, πυκνότητα 500 kg/m3.
Κόστος 0,80/0,5/12,79/0,93=0,134 €/KWH.
o Έστω λέβητας ξύλου με βαθμό απόδοσης 80%, κόστος ξύλου 130 €/ton, μέση θερμογόνος ικανότητα 3,33 KWH/Kg.
Κόστος 130/1000/3,33=0,039 €/KWH.
o Έστω λέβητας πέλλετς με βαθμό απόδοσης 85%, κόστος πέλλετς 300 €/ton, θερμογόνος ικανότητα 5,55 KWH/Kg.
Κόστος 300/1000/5,55=0,054 €/KWH.
o Έστω ηλεκτρική θέρμανση οποιουδήποτε τύπου με ΒΑ 99% και ετήσια κατανάλωση άνω των 3000 KWH.
Κόστος 0,158 €/KWH.
o Έστω ηλεκτρική θέρμανση οποιουδήποτε τύπου με ΒΑ 99% και νυχτερινό τιμολόγιο.
Κόστος 0,063 €/KWH.
o Έστω τηλεθέρμανση Κοζάνης με ΒΑ 97%.
Κόστος 0,052 €/KWH.
Επομένως στην οικία του παραδείγματος που θα κατανάλωνε 20000 KWH, θα κόστιζε η θέρμανσή της 20000 KWH επί την εκάστοτε αξία της KWH, όπως αυτές υπολογίστηκαν προηγουμένως.
Συμπερασματικά, ο ΒΑ όπως και το είδος του καυσίμου καθορίζει την αξία της κατανάλωσης και τίποτα άλλο. Και το επόμενο ερώτημα είναι, και η ισχύς του λέβητα και των σωμάτων δεν παίζουν ρόλο; Βεβαίως και παίζουν, όχι όμως άμεσα στην κατανάλωση.
Η οικία του παραδείγματος είχε ολική ετήσια κατανάλωση 20000 KWH. Εάν είχε λέβητα οποιουδήποτε τύπου ισχύος 1 KW, αυτός για να παράγει τις 20000 KWH θα λειτουργούσε 20000 ώρες σε ένα χρόνο. Εάν είχε λέβητα 20 KW αυτός θα λειτουργούσε 1000 ώρες σε ένα χρόνο. Στην πραγματικότητα θα λειτουργούσε περισσότερες ώρες, ήτοι τις <θεωρητικές/ΒΑ>. Το ερώτημα λοιπόν είναι πόσο πρέπει να είναι η ισχύς του οποιουδήποτε λέβητα. Αυτό καθορίζεται από το στιγμιαίες μέγιστες αναμενόμενες απώλειες της οικίας. Δηλαδή εάν ζητείται σε εξωτερική θερμοκρασία -10οC να υφίστανται εσωτερικά 20οC και η ισχύς για να επιτευχθεί αυτό είναι 15 KW, τότε επιλέγεται λέβητας 15 KW.
Επόμενη κρίσιμη ερώτηση. Η οικία είχε λέβητα πετρελαίου 15 KW, μπορεί να θερμανθεί τώρα με ηλεκτρικό λέβητα 5 KW; Η απάντηση έχει ως εξής:
o η οικία απαιτεί ετησίως 20000 KWH και την χειρότερη χειμωνιάτικη ημέρα 200 KWH. Ο λέβητας πετρελαίου με ΒΑ=90% λειτουργεί 20000/15/0,9=1482 ώρες ετησίως και 200/15/0,9=15 ώρες την πιο κρύα ημέρα. Η οικία θα θερμαίνεται όλες τις χειμωνιάτικες ημέρες.
o Ο λέβητας ηλεκτρικού με ΒΑ=99% θα λειτουργεί 20000/5/0,99=4040 ώρες ετησίως και 200/5/0,99=40 ώρες την πιο κρύα ημέρα. Βεβαίως και η πιο κρύα ημέρα έχει 24 ώρες, οπότε ο ηλεκτρικός λέβητας των 5 KW δεν επαρκεί στις κρύες ημέρες.
Συμπέρασμα. Εάν έχει γίνει ορθή διαστασιολόγηση της απαιτουμένης θερμικής ισχύος για την οικία, οποιαδήποτε πηγή θερμότητας και να χρησιμοποιηθεί, η επιλεγόμενη ισχύς πρέπει να είναι η ίδια. Η επιλογή ισχύος πρέπει να γίνεται κατόπιν σχετικής αναλυτικής μελέτης απωλειών και όχι με διάφορες απλοποιητικές προσεγγίσεις. Η μεγαλύτερη ισχύς οδηγεί σε μείωση του ΒΑ και σε μεγαλύτερο κόστος προμήθειας άνευ λόγου.
ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ
Η αντλία θερμότητας εξετάζεται χωριστά διότι είναι διαφορετικός ο τρόπος λειτουργίας, διότι δεν υφίσταται ΒΑ, διότι δεν υφίσταται διαδικασία μετατροπής ενέργειας από μία μορφή σε άλλη και διότι δεν υπάρχει προσδιδόμενη και αποδιδόμενη θερμότητα. Με την αντλία θερμότητας καταναλώνουμε συνήθως ηλεκτρική ενέργεια και κινούμε μία μηχανή. Αυτή η μηχανή μεταφέρει ποσά θερμότητας από μία κρύα πηγή σε μία θερμή πηγή. Γενικώς η θερμότητα μεταφέρεται από μόνη της από μία θερμή πηγή σε μία ψυχρή πηγή και δεν χρειάζεται να κάνουμε τίποτα γι’ αυτό. Για να γίνει όμως το αντίθετο, πρέπει να καταναλώσουμε έργο, ήτοι συνήθως ηλεκτρική ενέργεια. Δηλαδή η αντλία θερμότητας απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον, τον κρύο αέρα τον χειμώνα που έχει θερμοκρασία 0ο C και την μεταφέρει εντός της οικίας που έχει εσωτερική θερμοκρασία 20ο C. Για να το κάνει αυτό καταναλώνει έργο σε KWH. Έστω πως απορροφά 5 KWH θερμότητα από το περιβάλλον, καταναλώνει 1 KWH έργο και αποδίδει στην οικία 6 KWH θερμότητα. Τότε λέμε πως η αντλία θερμότητας έχει σχέση απόδοσης 6/1=6. Αυτό το 6 βεβαίως δεν έχει καμία σχέση με ΒΑ, αλλά είναι ένα μέγεθος που μας δείχνει πόσο πολλαπλάσια θερμότητα μεταφέρεται εντός εν σχέσει με το έργο που καταναλώνεται. Δηλαδή έξι φορές παραπάνω μονάδες θερμότητας πέφτουν εντός οικίας για κάθε μία μονάδα έργου που καταναλώνεται.
Η σχέση απόδοσης για μία αντλία θερμότητας είναι μεταβλητό μέγεθος και εξαρτάται από την εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία. Όσο μειώνεται η εξωτερική και όσο αυξάνεται η εσωτερική, τόσο η σχέση απόδοσης μειώνεται. Επίσης όσο αυξάνεται η εσωτερική και όσο μειώνεται η εξωτερική τόσο μειώνεται η δυνατότητα της αντλίας να μεταφέρει θερμότητα εντός και τόσο μειώνονται τα μεταφερόμενα ποσά θερμότητας. Επομένως εάν στην οικία του παραδείγματος προκύπτει ζητούμενη ισχύς 15 KW, ζητείται αντλία θερμότητας με αποδιδόμενη ισχύ εντός 15 KW, όταν η εξωτερική είναι -10. Μία αντλία ονομαστικής ισχύος 15 KW αναφέρεται σε 7ο εξωτερική, οπότε για να αποδώσει 15 KW σε -10 ο εξωτερική θα πρέπει να διαθέτει ονομαστική ισχύ πάνω από 40 KW.
Επομένως, ποτέ δεν πάμε να καλύψουμε όλα τα φορτία με αντλία θερμότητας, τις κρύες ημέρες του χειμώνα πρέπει να έχουμε μεριμνήσει για βοηθητική θέρμανση. Το κεφάλαιο της αντλίας θερμότητας αντιμετωπίστηκε πολύ επιφανειακά στην παρούσα επιστολή, απαιτεί δε πολύ περισσότερη ανάλυση για να γίνει κατανοητή η λειτουργίας της. Συμπερασματικά, η αντλία θερμότητας αποτελεί οικολογική λύση, έχει δε χαμηλά λειτουργικά κόστη υπό όρους και δύσκολα μπορεί να αποτελέσει αυτόνομη και μοναδική πηγή θέρμανσης.
ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΑ
Η χρήση ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης αποτελεί υποχρέωση του καθενός μας. Η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη θέρμανσης αποτελεί όμως παρεξηγημένη διαδικασία. Θα αναφερθούν δύο απλοποιητικά δεδομένα και δεν θα γίνει περαιτέρω επέκταση επί του θέματος, το οποίο θα αναπτυχθεί σε μελλοντική ανάλυση μαζί με την αντλία θερμότητας. Τα δύο δεδομένα είναι πρώτον, μία οικία Κοζάνης πράγματι μπορεί να έχει μέσες χειμερινές ημερήσιες ανάγκες 200 KWH. Η μέση ημερήσια ηλιοφάνεια στην Κοζάνη τον Ιανουάριο είναι 2500 WH/m2. Εάν τοποθετήσουμε 20 m2 επιλεκτικές πλάκες με μέσο ΒΑ 40% (που είναι πολύ μεγάλος για χειμώνα), μπορούμε να συλλέξουμε (2500/1000)*20*0,40=20 KWH. Αυτές αν τις καταναλώσουμε αμέσως έχει καλώς, συνήθως όμως απαιτείται να τις αποθηκεύσουμε, διότι τις ώρες μεγάλης ηλιοφάνειας είναι μικρές οι απαιτήσεις της οικίας σε θέρμανση.
Για να τις αποθηκεύσουμε σε ένα δοχείο νερού, το οποίο λειτουργεί σε θερμοκρασίες 40-50ο C, που τροφοδοτεί την ενδοδαπέδια θέρμανση, θα απαιτηθεί :
20 x 3600/(4.187 x 10)=1720 Kg νερού ή 1700 λίτρα δοχείο. Και τελικά η ημερήσια κάλυψη θέρμανσης που αναμένουμε τον Ιανουάριο είναι 20/200 = 10%.
Εάν ζητήσουμε να συλλέξουμε την ηλιακή ενέργεια σε θερμοκρασίες λειτουργίας σωμάτων, ήτοι σε 60-70ο C, ο βαθμός απόδοσης θα πέσει κάτω του 15%, οπότε με 20 m2 πλάκες, θα σωρεύσουμε (2500/1000)*20*0,15=7,50 KWH. Για την αποθήκευση θα απαιτηθούν 650 λίτρα νερού, με αναμενόμενη ημερήσια κάλυψη Ιανουαρίου 7,5/200=4%. Συμπερασματικά, η ηλιοθερμία απαιτεί ενδοδαπέδια θέρμανση ιδιαίτερα χαμηλών θερμοκρασιών και μεγάλη χωρητικότητα νερού αποθήκευσης, ώστε να έχει οικονομικό αντίκρισμα η όλη επένδυση.