Ηλιακή ενέργεια και ελαχιστοποίηση ενεργειακής κατανάλωσης στα κτήρια (Γ’)

Τα κτήρια πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με τις αρχές τις βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών τους αναγκών και την προσαρμογή τους στις περιβαλλοντικές απαιτήσεις. Στο τρίτο μέρος του αφιερώματος εξετάζουμε τη συνεισφορά της βιομάζας και της γεωθερμίας στα κτήρια.

Ι. Τρυπαναγνωστόπουλος², Α. Σακκά¹, Δ. Συγκρίδου 

Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών

Η βιομάζα (ξύλο, pellets, βιοκαύσιμα, βιοαέριο) είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει τις ενεργειακές απαιτήσεις των κτηρίων. Τα συστήματα θέρμανσης και η συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού με βιομάζα (CHP) μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια με ένα αρχικά χαμηλό κόστος και να αποτελέσουν μια βιώσιμη λύση στον κτηριακό τομέα, παρόλο που τα βιοκαύσιμα θεωρούνται ανταγωνιστές της παραγωγής τροφίμων.

Από την άλλη μεριά η ανάπτυξη της βιομάζας μπορεί να βασιστεί στη χρησιμοποίηση των αποβλήτων, όπως στην περίπτωση του βιοαερίου. Ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών έχει αναπτυχθεί για την επεξεργασία διαφόρων μορφών βιομάζας. Ωστόσο, η κύρια τεχνολογία βιομάζας είναι η καύση στερεών καυσίμων, ως πηγή ενέργειας, μονάδας CHP ή ενεργειακή πηγή για παραγωγή ηλεκτρισμού.

Οι μονάδες στερεών καυσίμων χρησιμοποιούν πριονίδια (chippings) ή συσσωματώματα ξύλου (pellets), που σχηματίζονται από συμπιεσμένα πριονίδια. Ως αποτέλεσμα έχουν χαμηλότερη περιεκτικότητα σε υγρασία απ’ ότι τα πριονίδια και μικρές διαστάσεις, οπότε υπάρχει ευκολία στο χειρισμό τους (χρήση ως «ρευστού»), αλλά είναι δύο φορές πιο ακριβά.

Η παραγωγή θερμότητας από βιομάζα μπορεί να ελεγχθεί αλλά όχι αμέσως, οπότε τα συστήματα αυτά δεν μπορούν να ανταποκριθούν στις γρήγορες μεταβολές του φορτίου.

Ένας ενδιαφέρων συνδυασμός είναι το υβριδικό σύστημα ηλιακή ενέργεια – βιομάζα, όπου θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες προθερμαίνουν μία δεξαμενή αποθήκευσης νερού και καυστήρες βιομάζας παρέχουν την τελική θερμοκρασία του νερού ως παράγωγου της κύριας θέρμανσης. Σε ένα τέτοιο σύστημα, οι θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες λειτουργούν σε υψηλή απόδοση, λόγω των μειωμένων θερμικών απωλειών από τη χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας και οι καυστήρες βιομάζας επιτυγχάνουν την τελική θερμοκρασία του νερού από την υψηλότερη θερμοκρασία του ρευστού από τον καυστήρα.

Αυτό το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κτήρια αστικών περιοχών με υψηλή πυκνότητα δόμησης, δεδομένου ότι δεν μπορούν να έχουν όλα τα κτήρια διαθέσιμη επιφάνεια και κατάλληλο προσανατολισμό για να συλλέγουν την απαραίτητη ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας για να ικανοποιούνται οι θερμικές και ενεργειακές ανάγκες του κτηρίου καθ’ όλη τη διάρκεια του χρόνου.

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας

Η αξιοποίηση των γεωθερμικών πεδίων θεωρείται αποτελεσματική για πεδία μεσαίας και υψηλής ενθαλπίας και προς το παρόν η πιο ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία είναι η αβαθής γεωθερμία σε συνδυασμό με αντλίες θερμότητας. Ο κύριος λόγος είναι ότι οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας μπορούν να εγκατασταθούν οικονομικά παντού, καθώς τα συστήματα αυτά χρειάζονται μόνο ένα κομμάτι γης για την εισαγωγή σωλήνων και τη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας. Μια γεωθερμική αντλία θερμότητας (GHP) είναι ένα σύστημα κεντρικής θέρμανσης ή / και ψύξης, που αντλεί θερμότητα από ή προς το έδαφος. Χρησιμοποιεί τη γη ως μια πηγή θερμότητας (το χειμώνα) ή έναν αποδέκτη θερμότητας (το καλοκαίρι). Ο σχεδιασμός αυτός εκμεταλλεύεται τις μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας στο έδαφος για την ενίσχυση της αποδοτικότητας και τη μείωση των λειτουργικών δαπανών των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης, και μπορεί να συνδυαστεί με ηλιακή θέρμανση για το σχηματισμό γεω-ηλιακού συστήματος με ακόμα μεγαλύτερη αποδοτικότητα.

Οι οριζόντιοι αβαθείς εναλλάκτες θερμότητας παρουσιάζουν εποχιακές διακυμάνσεις θερμοκρασίας που οφείλονται στην μεταβολή της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας από το έδαφος και στην μετάδοση θερμότητας από τον ατμοσφαιρικό αέρα στο έδαφος. Αυτές οι εποχιακές διακυμάνσεις θερμοκρασίας παρουσιάζουν εποχική υστέρηση λόγω της θερμικής αδράνειας του εδάφους.

Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας πρέπει να έχουν έναν εναλλάκτη θερμότητας σε επαφή με το έδαφος ή τα υπόγεια ύδατα για να εξάγουν ή να εισάγουν την θερμότητα. Το στοιχείο αυτό αντιπροσωπεύει το ένα τρίτο με μισό του συνολικού κόστους του συστήματος.

Ένα άλλο ζήτημα σχετικά με τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία τους μπορεί να παρέχεται από εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στην οροφή ή στην πρόσοψη του κτηρίου. Αυτή η ιδέα είναι ένας ενδιαφέρων συνδυασμός της γεωθερμικής ενέργειας με ηλιακή ενέργεια και μπορεί να εφαρμοστεί σε όσες από τις εφαρμογές των GHP υπάρχει διαθέσιμη επιφάνεια κτηρίου για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πλαισίων.

Παρατήρηση: το παρόν άρθρο αποτελεί τμήμα της εργασίας “ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΚΤΗΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΤΟΥΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ”  και δημοσιεύεται σε συνεργασία με την Ένωση Ελλήνων Φυσικών (www.eef.gr – πρακτικά του 14ου Πανελληνίου Συνεδρίου της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών). Παρουσιάζονται τα θέματα εξοικονόμησης ενέργειας στα κτήρια και η επίτευξη κτηρίων σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης συμβατικής ενέργειας. Δίνονται νέες τεχνολογικές λύσεις που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο Πατρών, με σκοπό την βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε συνδυασμό με τις άλλες ΑΠΕ, για εναρμόνιση με το στόχο της Ε.Ε. για το 2020.