1

ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ

ΤΕΙ Χαλκίδας - Τμήμα Ηλεκτρολογίας

Περίληψη

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιαστούν οι βασικές αρχές της Γεωθερμικής Ενέργειας και τα

αποτελέσματα εφαρμογής της στον Ελλαδικό χώρο (Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου και Πυλαία Θεσσαλονίκης,

στα πλαίσια του μαθήματος Εναλλακτικές Μορφές Ενέργειας (7ου εξαμήνου) του Τμήματος Ηλεκτρολογίας

ΤΕΙ Χαλκίδας.

1. Εισαγωγή

Με τον όρο «γεωθερμική ενέργεια» εννοείται το τμήμα της γήινης θερμότητας που βρίσκεται αποθηκευμένο με τη μορφή θερμού νερού, ατμού ή θερμών πετρωμάτων σε ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες, στα πρώτα τρία περίπου χιλιόμετρα από την επιφάνεια της γης. Η ενέργεια αυτή βρίσκεται συνήθως περιορισμένη σε μία γεωθερμική περιοχή ή πεδίο με συγκεκριμένα επιφανειακά όρια. Ως γεωθερμική χρήση αναφέρεται η οικονομική εκμετάλλευση του ατμού ή των θερμών νερών, είτε αυτά ρέουν φυσικά, είτε βγαίνουν στην επιφάνεια μέσω γεώτρησης, καθώς και η αξιοποίηση της θερμότητας των πετρωμάτων ή του εδάφους. Οι γεωθερμικές χρήσεις ταξινομούνται σε ηλεκτρικές (για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος) και σε άμεσες.

Η πλέον εντυπωσιακή απόδειξη της θερμότητας που υπάρχει στο εσωτερικό της γης αποτελεί η ηφαιστειακή δραστηριότητα. Άλλες γεωθερμικές ενδείξεις είναι οι ατμοί, τα θερμά νερά και τα αέρια που σχηματίζουν θερμοπίδακες (γκέιζερ), θερμές πηγές και ατμίδες. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας με το βάθος από την επιφάνεια της γης είναι γνωστός ως γεωθερμική βαθμίδα. Η γεωθερμική βαθμίδα κυμαίνεται από 5 μέχρι 70°C/km, με μέση τιμή τους 30°C/km. Περιοχές με θεωρητικά γεωθερμικό ενδιαφέρον είναι οι περιοχές που διαθέτουν γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από τη μέση τιμή. Τέτοιες περιοχές είναι πολλές στον πλανήτη μας, αλλά και στη χώρα μας, και οι περισσότερες βρίσκονται στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών.

Η γεωθερμική ενέργεια είναι μια σχετικά ήπια, εναλλακτική μορφή ενέργειας, η οποία με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικό μέρος των αναγκών μας σε ενέργεια. Οι χρήσεις και οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό και περιλαμβάνουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τις αγροτικές διεργασίες (π.χ. ξήρανση σιτηρών), τη θέρμανση οικιών, τη δημιουργία ψύξης κτλ. Η περιοχή των θερμοκρασιών των θερμών νερών που μπορούν να

χρησιμοποιηθούν εκτείνεται από τους 20°C (για θέρμανση χώρων με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας) μέχρι τους 280°C (για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος). Επιπλέον, αρκετά γεωθερμικά ρευστά εκτός από τη θερμότητά τους περιέχουν και αξιοποιήσιμες διαλυμένες ποσότητες στερεών ή αέριων ουσιών (κοινό αλάτι, διοξείδιο του άνθρακα, πολύτιμα μέταλλα), τα οποία μπορούν να ανακτηθούν με οικονομικό τρόπο. Ενώ το δυναμικό της γεωθερμικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο (αλλά και στην Ελλάδα) είναι σημαντικό, υπάρχουν αρκετοί περιορισμοί στο να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά αυτό το δυναμικό. Οι τύποι των περιορισμών είναι τεχνικής φύσεως (διάβρωση, δημιουργία επικαθίσεων), περιβαλλοντικής φύσεως (εκπομπές τοξικών αερίων, θερμική ρύπανση) και οικονομικής φύσεως. Οι οικονομικοί περιορισμοί παίζουν σπουδαίο ρόλο σε κάθε προσπάθεια αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Γενικά είναι πιθανότερη η αξιοποίηση γεωθερμικών ρευστών όταν αυτά βρίσκονται κοντά σε βιομηχανικές, αστικές ή αγροτικές περιοχές, ή όταν υπάρχουν ανάγκες θέρμανσης καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Μπορεί να λεχθεί ότι η χώρα μας είναι ιδιαίτερα ευνοημένη γεωθερμικά και τα τελευταία 30 χρόνια έχει γίνει (κυρίως από το IΓME) συστηματική βασική έρευνα για τον εντοπισμό και χαρακτηρισμό των γεωθερμικών πεδίων. Η Ελλάδα μαζί με την Ιταλία (και την Πορτογαλία στις Αζόρες Νήσους) είναι οι μόνες χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης στις οποίες υπάρχουν πεδία υψηλής ενθαλπίας, δηλαδή περιοχές στις οποίες μπορούν να παραχθούν ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 150°C, τα οποία χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Επίσης η χώρα μας διαθέτει πληθώρα περιοχών, κυρίως στην Κεντρική και Βόρεια Ελλάδα, με θερμοκρασίες ταμιευτήρων που ξεπερνούν τους 90°C. [1]

2. Ταξινόμηση Γεωθερμικών Συστημάτων

Τα γεωθερμικά συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορα κριτήρια, όπως είναι το είδος των γεωθερμικών πόρων, ο τύπος και η

2

θερμοκρασία των ρευστών, ο τύπος του πετρώματος που φιλοξενεί τα ρευστά, το είδος της εστίας θερμότητας, αν κυκλοφορούν ή όχι ρευστά στον ταμιευτήρα κ.ά. Σε σχέση με το είδος των γεωθερμικών πόρων διακρίνονται πέντε κατηγορίες συστημάτων (Σχήμα 1), που περιγράφονται συνοπτικά ως εξής:

Σχήμα 1: Μορφές γεωθερμικής ενέργειας κατά σειρά ενδιαφέροντος

α) Τα υδροθερμικά συστήματα ή πόροι, δηλ. τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά που βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους ταμιευτήρες, θερμαίνονται από μία εστία θερμότητας και συχνά εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης με τη μορφή θερμών εκδηλώσεων. Τα συστήματα αυτά συχνά ταυτίζονται με το σύνολο σχεδόν των γεωθερμικών πεδίων, αφού σήμερα ουσιαστικά είναι τα μόνα συστήματα που αξιοποιούνται. β) Αβαθής γεωθερμία (earth energy), κατά την οποία λαμβάνονται (ή και απορρίπτονται) ποσότητες ενέργειας από μικρά βάθη με την ανακυκλοφορία νερού στα πρώτα 100 m από την επιφάνεια της γης ή με την κυκλοφορία υπόγειων νερών ή νερών από λίμνες, ποτάμια και τη θάλασσα. Αποτελεί την ταχύτερα αναπτυσσόμενη μορφή της γεωθερμικής ενέργειας. γ) Τα προχωρημένα γεωθερμικά συστήματα (enhanced geothermal systems) αναφέρονται στα θερμά πετρώματα σε βάθος από 2 μέχρι 10 km, από τα οποία μπορεί να ανακτηθεί ενέργεια χρησιμοποιώντας νερό που διοχετεύεται από την επιφάνεια, μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων, και ανακτάται αρκετά θερμότερο με τη μορφή νερού ή ατμού μέσω άλλων γεωτρήσεων.δ) Τα γεωπεπιεσμένα συστήματα (geopressured systems) αποτελούνται από ρευστά εγκλεισμένα σε μεγάλο βάθος, βρίσκονται περιορισμένα από μη περατά πετρώματα και η πίεσή τους υπερβαίνει την υδροστατική. ε) Τα μαγματικά συστήματα (magma systems) αναφέρονται στην απόληψη θερμότητας με κατάλληλες γεωτρήσεις σε μαγματικές διεισδύσεις, που βρίσκονται σε μικρό σχετικά βάθος. Τα κύρια τυπικά τμήματα ενός υδροθερμικού συστήματος είναι η εστία θερμότητας, ο ταμιευτήρας, το αδιαπέρατο κάλυμμα και η περιοχή επαναφόρτισης. Ο ταμιευτήρας είναι το σημαντικότερο τμήμα ενός γεωθερμικού συστήματος από την άποψη της ενεργειακής

αξιοποίησης των περιεχόμενων ρευστών. Μία πρώτη ταξινόμηση-τυποποίηση των υδροθερμικών συστημάτων γίνεται συνήθως ανάμεσα στα συστήματα στα οποία το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός (συστήματα ατμού, π.χ. στο Larderello, Ιταλία), και τα οποία χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για ηλεκτροπαραγωγή, και στα συστήματα στα οποία κυρίαρχο ρευστό είναι το θερμό νερό (συστήματα θερμού νερού). Το συνηθέστερο κριτήριο για την ταξινόμηση των υδροθερμικών συστημάτων νερού βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών, τα οποία είναι και οι φορείς της θερμότητας στην επιφάνεια της γης από τα θερμά βαθιά πετρώματα. Η ενθαλπία των ρευστών, ∆Η, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη της θερμοκρασίας τους, χρησιμοποιείται για να εκφράσει το θερμικό περιεχόμενό τους. Οι γεωθερμικοί πόροι ταξινομούνται συνήθως για λόγους ευκολίας (αν και με κάπως αυθαίρετο τρόπο) σε ρευστά χαμηλής, μέσης και υψηλής ενθαλπίας ή θερμοκρασίας. Υψηλής ενθαλπίας ορίζονται τα ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 150ºC, μέσης ενθαλπίας τα ρευστά με θερμοκρασία από 90ºC μέχρι 150ºC, και χαμηλής ενθαλπίας τα νερά με θερμοκρασία μικρότερη από 90ºC . Αν και δεν υπάρχει κάποια γενικά αποδεκτή ταξινόμηση των γεωθερμικών νερών, συχνά τα γεωθερμικά νερά διαχωρίζονται σε σχέση με το κυρίαρχο ανιόν, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 1 (Henley et al, 1984). Στα γεωθερμικά συστήματα νερού ο συνηθέστερος τύπος που συναντάται σε κάποιο βάθος είναι τα χλωριούχα νερά, με συγκεντρώσεις που φτάνουν τα 10000 mg/L (Ellis & Mahon, 1977). Σπανιότερα, η συγκέντρωση των χλωριόντων μπορεί να υπερβεί και τα 120000 mg/L. Οι δύο κυριότερες φυσικοχημικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό ενός γεωθερμικού νερού είναι η περιεκτικότητά του σε άλατα (Total dissolved solids-TDS) και το pH. Συνήθως, τα γεωθερμικά ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας έχουν μικρότερο TDS από ό,τι τα ρευστά σε υψηλή θερμοκρασία, αν και υπάρχουν εξαιρέσεις αυτού του κανόνα. Οι τιμές του TDS των γεωθερμικών ρευστών κυμαίνονται από λίγες δεκάδες μέχρι και εκατοντάδες χιλιάδες mg/L. Το μέγεθος της αλατότητας ενός νερού προσεγγίζεται στο ύπαιθρο με τη μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του νερού.

Οι ιδιότητες των θερμών ρευστών που εκρέουν από φυσικές πηγές ή από γεωτρήσεις ενός γεωθερμικού πεδίου αντιστοιχούν σε μεγάλο βαθμό στα χαρακτηριστικά του υδροθερμικού συστήματος. Τα φυσικοχημικά και ισοτοπικά δεδομένα των γεωθερμικών ρευστών μπορούν να μας βοηθήσουν για: (1) την εκτίμηση της προέλευσης των ρευστών και του βαθμού ανάμιξής τους με άλλα νερά, (2)

3

την εκτίμηση της θερμοκρασίας του ταμιευτήρα (χημική γεωθερμομετρία), και (3) τον προσδιορισμό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ρευστών. [1]

Τύπος νερού Περιοχή pH

Κύρια ιόντα

ΥπόγειαΠλούσια σε χλωριόντα

Πλούσια σε χλωριόντα-ανθρακικά

Πλούσια σε θειικά ιόντα

Πλούσια σε θειικά-χλωριόντα

Πλούσια σε όξινα ανθρακικά Αραιά

χλωριούχα

6 – 7,54 -9

7 – 8,5

1 – 31 – 55 – 76,5 – 7,5

λίγα HCO3-

Cl, λίγαCl, HCO3

-

SΟ42-, λίγα Cl

Cl, SΟ42-

HCO3-

Cl, λίγα HCO3

-

Πίνακας 1: Σύνοψη των διαφόρων τύπων νερού στα γεωθερμικά συστήματα

3. Υποδομή, εξοπλισμός γεωθερμικών εγκαταστάσεων

Ένα τυπικό γεωθερμικό σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας, ανεξάρτητα από το είδος της εφαρμογής, αποτελείται συνήθως από τέσσερα τυπικά υποσυστήματα: (1) Το σύστημα παραγωγής, που περιλαμβάνει τη παραγωγική γεώτρηση, την αντλία παραγωγής και τις συσκευές στην κεφαλή της γεώτρησης. Το πλέον συνηθισμένο σχήμα αξιοποίησης είναι το σύστημα των διπλών γεωτρήσεων («δίπολο»), στο οποίο το σύνολο του γεωθερμικού ρευστού επανεισάγεται στον ταμιευτήρα. (2) Το σύστημα μεταφοράς των γεωθερμικών ρευστών από την κεφαλή της γεώτρησης μέχρι το σύστημα εφαρμογής, μαζί με το σύστημα διανομής της γεωθερμικής ενέργειας. Για εφαρμογές με θερμοκρασία νερού μικρότερη από 70ºC κυριαρχούν οι πλαστικοί σωλήνες. (3) Το σύστημα εφαρμογής (σύστημα εναλλαγής της θερμότητας). Οι εναλλάκτες πλακών είναι οι κατ’ εξοχήν εναλλάκτες που χρησιμοποιούνται στα γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης όταν η χημεία των νερών δεν επιτρέπει την απ’ ευθείας εφαρμογή. Η θέρμανση των χώρων στα κτίρια επιτελείται με τη διέλευση του θερμού νερού μέσω των μετατροπέων θερμότητας αέραυγρού (converters), κάτι που γίνεται και με τα συμβατικά συστήματα θέρμανσης. Τρεις τύποι τέτοιων μετατροπέων χρησιμοποιούνται κυρίως: (α) Αυτοί που λειτουργούν με εξαναγκασμένη ροή, (β) αυτοί που λειτουργούν με φυσική συναγωγή και (γ) αυτοί που λειτουργούν με ακτινοβολία (σωλήνες τοποθετημένοι στο πάτωμα, σε τοίχους ή στην οροφή). (4) Το σύστημα διάθεσης των ρευστών. Μερικές φορές προστίθεται ένα πέμπτο σύστημα, το σύστημα αντιμετώπισης των αυξημένων αναγκών κατά τις ώρες αιχμής. Για την παραγωγή

ηλεκτρικής ισχύος είναι προφανές ότι τα παραπάνω υποσυστήματα τροποποιούνται για να αντεπεξέλθουν στις υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις των γεωθερμικών ρευστών. Ο τύπος (κύκλος) της μονάδας ο οποίος χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της γεωθερμικής ενεργείας σε ηλεκτρική καθορίζεται συνήθως από το είδος του πεδίου (ξηρός ατμός, διφασικό ρευστό), από τη θερμοκρασία και την πίεση των ρευστών (δηλαδή από την ενθαλπία τους), από τη σύσταση των γεωθερμικών ρευστών (π.χ. ποσοστό μη-συμπυκνώσιμων αερίων, παρουσία αλάτων), από τη δυναμικότητα της μονάδας και από την τάση των ρευστών για δημιουργία επικαθίσεων και διάβρωσης των μεταλλικών επιφανειών. Οι κυριότεροι τύποι μονάδων που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ο κύκλος ατμού, ο κύκλος εκτόνωσης διφασικού ρευστού (μονή, διπλή ή και πολλαπλή εκτόνωη) και ο δυαδικός κύκλος (οργανικός κύκλος και κύκλος Kalina). [1]

Σχήμα 2: Σχηματική παρουσίαση της αξιοποίησης των θερμών ξηρών πετρωμάτων

με μία γεώτρηση τροφοδοσίας και δύο παραγωγικές γεωτρήσεις.

4. Αξιοποίηση γεωθερμικών πόρων

Τα φυσικά θερμά ρευστά χρησιμοποιήθηκαν από πολύ παλιά, κυρίως για τις θεραπευτικές τους ιδιότητες, σπάνια όμως για τις ενεργειακές δυνατότητές τους. Στη σύγχρονη εποχή η πρώτη βιομηχανική αξιοποίηση της γεωθερμίας πραγματοποιήθηκε στο Larderello της Ιταλίας, όπου από τις αρχές του 19ου αιώνα χρησιμοποιήθηκε υπέρθερμος ατμός για την παραγωγή βορικού οξέος (με εξάτμιση των νερών που περιείχαν σημαντικές ποσότητες του οξέος) και για τη θέρμανση κτιρίων, ενώ ένα αιώνα μετά ξεκίνησε στο ίδιο μέρος η γεωθερμική ηλεκτροπαραγωγή. Η πρώτη συστηματική

4

αξιοποίηση της γεωθερμίας για θέρμανση χώρων ξεκίνησε στην Ισλανδία. Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού της Ισλανδίας (και ολόκληρη η πόλη του Reykjavik) θερμαίνονται με γεωθερμικά νερά. Οι κυριότερες χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας παρουσιάζονται επιγραμματικά στο Σχήμα 3, στο τροποποιημένο διάγραμμα Lindal (1973). Στο διάγραμμα αυτό καταγράφονται παραδείγματα χρήσεων, δοκιμασμένων και πιθανών, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των ρευστών. Οι περισσότερο καθιερωμένες εφαρμογές είναι η θέρμανση χώρων, οι ιχθυοκαλλιέργειες, η ξήρανση αγροτικών προϊόντων και η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Στο επάνω μέρος του διαγράμματος Lindal ο κορεσμένος ατμός χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, ενώ οι άμεσες χρήσεις καλύπτουν όλη την κλίμακα θερμοκρασιών. Θα πρέπει να τονιστεί ότι διάγραμμα Lindal δεν περιορίζει το είδος των δυνατών χρήσεων, ούτε πρέπει να ληφθούν αυστηρά υπόψη τα όρια των θερμοκρασιών που θέτει. Κατά το 2005, 72 χώρες έχουν αναπτύξει γεωθερμικές εφαρμογές χαμηλής-μέσης θερμοκρασίας, κάτι που δηλώνει σημαντική πρόοδο σε σχέση με το 1995, όταν είχαν αναφερθεί εφαρμογές μόνο σε 28 χώρες. Η εγκατεστημένη θερμική ισχύς γεωθερμικών μονάδων μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας ανήλθε το 2007 στα 28268 MWt, παρουσιάζοντας αύξηση 75% σε σχέση με το 2000, με μέση ετήσια αύξηση 12%. Αντίστοιχα, η χρήση ενέργειας αυξήθηκε κατά 43% σε σχέση με το 2000 και ανήλθε στα 273.372 TJ (75.940 GWh/έτος). Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος με γεωθερμική ενέργεια γίνεται σήμερα σε 24 χώρες. Το 2007 η εγκατεστημένη ισχύς των μονάδων παραγωγής ενέργειας στον κόσμο ανήλθε στα 9735 MWe, σημειώνοντας αύξηση περισσότερων από 800 MWe σε σχέση με το 2005. [1]

Σχήμα 3: Διάγραμμα Lindal

5. Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα

Γενικά, η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας συναντά ορισμένα βασικά προβλήματα, τα οποία θα πρέπει να λυθούν ικανοποιητικά για την οικονομική εκμετάλλευση της εναλλακτικής αυτής μορφής ενέργειας. Οι τύποι αυτοί των προβλημάτων είναι ο σχηματισμός επικαθίσεων (ή όπως συχνά λέγεται οι καθαλατώσεις ή αποθέσεις) σε κάθε σχεδόν επιφάνεια που έρχεται σε επαφή με το γεωθερμικό ρευστό, η διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών, καθώς και ορισμένες περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις (διάθεση των ρευστών μετά τη χρήση τους, εκπομπές τοξικών αερίων, ιδίως του υδροθείου). Όλα αυτά τα προβλήματα σχετίζονται άμεσα με την ιδιάζουσα χημική σύσταση των περισσότερων γεωθερμικών ρευστών. Τα γεωθερμικά ρευστά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της παραμονής τους σε επαφή με διάφορα πετρώματα περιέχουν κατά κανόνα σημαντικές διαλυμένων αλάτων και αερίων. Η αλλαγή των θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών των ρευστών στο στάδιο της εκμετάλλευσης μπορεί να δημιουργήσει συνθήκες ευνοϊκές τόσο για τη χημική προσβολή των μεταλλικών επιφανειών, όσο και για την απόθεση ορισμένων διαλυμένων ή αιωρούμενων στερεών και την απελευθέρωση στο περιβάλλον επιβλαβών ουσιών.

Ο σχηματισμός επικαθίσεων σε γεωθερμικές μονάδες μπορεί να ελεγχθεί σε κάποιο βαθμό, αν όχι ολοκληρωτικά, με μια πληθώρα τεχνικών και μεθόδων. Μερικές από τις πιο τυπικές πρακτικές είναι ο σωστός σχεδιασμός της μονάδας και η επιλογή των κατάλληλων συνθηκών λειτουργίας της, η ρύθμιση του pH του ρευστού, η προσθήκη χημικών ουσιών (αναστολέων δημιουργίας επικαθίσεων) και, τέλος, η απομάκρυνση των σχηματιζόμενων στερεών με χημικά ή φυσικά μέσα, στη διάρκεια προγραμματισμένων ή όχι διακοπών λειτουργίας της μονάδας. Οι διάφορες δυνατότητες ελέγχου της διάβρωσης στις γεωθερμικές μονάδες επικεντρώνονται (α) στην επιλογή του κατάλληλου υλικού κατασκευής (π.χ. χρήση πολυμερικών υλικών, εναλλακτών θερμότητας από τιτάνιο, Hastelloy κτλ.), (β) στην επικάλυψη των μεταλλικών επιφανειών με ανθεκτικά στη διάβρωση στρώματα, (γ) στην προσθήκη αναστολέων διάβρωσης, και (δ) στον ορθό σχεδιασμό της μονάδας. Η γεωθερμική ενέργεια θεωρείται «ήπια» μορφή ενέργειας, σε σύγκριση με τις συμβατικές μορφές ενέργειας, χωρίς βέβαια οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εκμετάλλευσή της να είναι συχνά αμελητέες. Η υψηλότερη περιεκτικότητα των γεωθερμικών ρευστών υψηλής ενθαλπίας σε διαλυμένα άλατα και αέρια σε σχέση με τα ρευστά χαμηλής ενθαλπίας επιβάλλουν το διαχωρισμό των επιπτώσεων από την αξιοποίηση της γεωθερμίας.

5

Τα προβλήματα από τη διάθεση των νερών που χρησιμοποιούνται για άμεσες χρήσεις είναι κατά κανόνα ηπιότερα (και σχεδόν μηδενικά) από ότι των ρευστών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης θα πρέπει να τονιστεί από την αρχή ότι στην περίπτωση που εφαρμόζεται η άμεση επανεισαγωγή των γεωθερμικών ρευστών στον ταμιευτήρα, όπως στην περίπτωση των μονάδων με δυαδικό κύκλο, οι επιπτώσεις είναι ελάχιστες. Βεβαίως κατά τη φάση της έρευνας, της ανόρυξης των γεωτρήσεων, των δοκιμών και της κατασκευής της μονάδας μπορούν να υπάρξουν διαρροές και διάθεση γεωθερμικών νερών σε υδάτινους αποδέκτες, καθώς και αυξημένος θόρυβος. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την αξιοποίηση των ρευστών υψηλής ενθαλπίας διαφέρουν από περιοχή σε περιοχή και ταξινομούνται σε συνάρτηση της αιτίας όπως τη χρήση γης, εκπομπές αερίων, τη διάθεση υγρών αποβλήτων, θόρυβο, δημιουργία μικροσεισμικότητας και καθιζήσεις. Η έκταση γης που απαιτείται για την αξιοποίηση της γεωθερμίας (π.χ. για την εγκατάσταση της μονάδας, το χώρο για τις γεωτρήσεις, τις σωληνώσεις μεταφοράς και τους δρόμους πρόσβασης) είναι γενικά μικρότερη από την έκταση της γης που απαιτούν άλλες μορφές ενέργειας (ατμοηλεκτρικοί σταθμοί άνθρακα, υδροηλεκτρικοί σταθμοί κτλ.). Το CO2 που εκπέμπεται από γεωθερμικές μονάδες ποικίλλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του πεδίου, καθώς και την τεχνολογία παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας, αν και οι εκπομπές του είναι κατά πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες εκπομπές ατμοηλεκτρικών μονάδων (Πίνακας 2) και συγκρίνονται ευνοϊκά και με τις εκπομπές (έμμεσες ή άμεσες) από άλλες ΑΠΕ. Το H2S, λόγω της έντονης οσμής του και της σχετικής τοξικότητάς του, είναι υπεύθυνο τις περισσότερες φορές για τη προκατάληψη που εκδηλώνεται κατά της γεωθερμίας. Οι εκπομπές H2S ποικίλλουν από <0,5g/kWh μέχρι και 7g/kWh. Οι εκπομπές του H2S μπορούν να ελεγχθούν σχετικά εύκολα και να μειωθούν σε συγκεντρώσεις 1 ppb με μια πληθώρα μεθόδων, όπως με τη διεργασία Stredford, με την καύση και επανεισαγωγή, με την οξειδωτική μέθοδο Dow κτλ.

Μορφή ενέργειας

CO2 NOx SOx

ΆνθρακαςΠετρέλαιο

Φυσικό αέριοΓεωθερμική ενέργεια*

Φωτοβολταϊκα**Βιομάζα

104283945395

13520

4,412,41,40,30,31,8

11,81,60,00,10,40,5

Πίνακας 2: Εκπομπές επιβλαβών αερίων από διάφορες τεχνολογίες παραγωγής

ηλεκτρικής ενέργειας (kg/MWh παραγόμενης ενέργειας )

* μέση τιμή – οι μονάδες δυαδικού κύκλου έχουν μηδενικές εκπομπές

** περιλαμβάνει τις εκπομπές από τον κύκλο ζωής της τεχνολογίας

Η κύρια ανησυχία από την αξιοποίηση της γεωθερμίας υψηλής ενθαλπίας προέρχεται από τη διάθεση των γεωθερμικών νερών στους υδάτινους αποδέκτες. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της περιεκτικότητάς του σε διάφορα χημικά συστατικά, το γεωθερμικό ρευστό προτού διατεθεί σε υδάτινους αποδέκτες θα πρέπει να υποστεί κάποια επεξεργασία και να μειωθεί η θερμοκρασία του. Τονίζεται ξανά ότι η περιβαλλοντικά περισσότερο αποδεκτή μέθοδος διάθεσης των γεωθερμικών ρευστών είναι η επανεισαγωγή τους στον ταμιευτήρα. Συγκρινόμενη με τις άλλες ΑΠΕ, η γεωθερμία δεν υστερεί σε περιβαλλοντικά οφέλη. Αυτό βέβαια έρχεται σε προφανή αντίθεση με την εντύπωση που κυριαρχεί ότι ορισμένες ΑΠΕ (π.χ. φωτοβολταϊκά, αιολική ενέργεια) δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. Η εντύπωση αυτή μεταβάλλεται όταν κανείς συνυπολογίσει τις επιπτώσεις οποιασδήποτε μορφής ενέργειας σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής μιας τεχνολογίας, αλλά και την επιβάρυνση στο περιβάλλον από την κατασκευή και λειτουργία των μονάδων. Τα περιβαλλοντικά οφέλη της γεωθερμίας μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: (α) Συνεχής παροχή ενέργειας, με υψηλό συντελεστή λειτουργίας (load factor), >90%. (β) Μικρό λειτουργικό κόστος, αν και το κόστος παγίων είναι σημαντικά αυξημένο σε σχέση και με τις συμβατικές μορφές ενέργειας. (γ) Μηδενικές ή μικρές εκπομπές αερίων στο περιβάλλον. (δ) Μικρή απαίτηση γης. (ε) Συμβολή στην επίτευξη των στόχων της Λευκής Βίβλου της Ε.Ε. και του Πρωτοκόλλου του Κιότο. (στ) Αποτελεί τοπική μορφή ενέργειας με συνέπεια την οικονομική ανάπτυξη της γεωθερμικής περιοχής. (ζ) Συμβολή στην μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μιας χώρας, με τον περιορισμό των εισαγωγών ορυκτών καυσίμων. [1]

Ακολούθως αναλύονται δύο πειραματικές εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας στον Ελλαδικό χώρο (Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Πυλαία Θεσσαλονίκης).

6. Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας στην Ελλάδα

6.1. Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου

Η εγκατάσταση εκμετάλλευσης της ομαλής γεωθερμίας στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου και συγκεκριμένα η κάλυψη των αναγκών ψύξης και

6

θέρμανσης του κτιρίου Μεταλλειολόγων - Ηλεκτρολόγων Β’ Φάσης έχει στόχο την αξιοποίηση τόσο της θερμοαποθηκευτικής ικανότητας των πετρωμάτων, όσο και της θερμότητας που εμπεριέχεται στο υπόγειο νερό, η άντληση του οποίου γίνεται από βάθος 250m.

Η εγκατάσταση περιλαμβάνει:

- Δεκαοκτώ (18) γεωθερμικούς εναλλάκτες μέσου μήκους (βάθους) 90m οι οποίοι δημιουργούν πεδίο. Στην εγκατάσταση αυτών έχει προβλεφθεί και η τοποθέτηση αισθητηρίων θερμοκρασίας (τύπου PT-100 και Cu-CuNi) με τα οποία είναι δυνατή η μέτρηση των θερμοκρασιών του πεδίου θερμοκρασίας στην περιοχή των γεωθερμικών εναλλακτών.

- Παραγωγική γεώτρηση νερού, βάθους 250m (περίπου), από την οποία θα αντλείται νερό παροχής 35m3/h και το οποίο μέσω αντλίας αναρρόφησης και αγωγό διαμέτρου 150 mm οδηγείται προς εκμετάλλευση στον χώρο του μηχανοστασίου. Το νερό αυτό διατίθεται σε δυο πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας, μέσω των οποίων θα εναλλαχθούν τα απαραίτητα ποσά θερμότητας για την λειτουργία των θερμαντλιών Νερού – Νερού. Στη συνέχεια το νερό της γεώτρησης οδηγείται προς τη γεώτρηση επανέγχυσης ή προς την κάλυψη των αναγκών άρδευσης της Πολυτεχνειούπολης.

- Δυο (2) πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας.- Δυο (2) θερμαντλίες Νερού – Νερού, η μια με

χρήση ψυκτικού μέσου R-407c και η άλλη με R-22, ισχύος 135kWc1/150kWh2. και 300kWc/350kWh αντίστοιχα. Συνθήκες λειτουργίας 260-65psi και 200-70psi αντίστοιχα.

- Συλλέκτες και διανομείς γεωθερμικών εναλλακτών, μέσω των οποίων θα συλλέγεται το νερό από τους γεωθερμικούς εναλλάκτες του πεδίου και θα οδηγείται προς εκμετάλλευση (μετά από ανάμιξη) στην μια αντλία θερμότητας.

- Δεξαμενή αποθήκευσης (αδρανείας) κλιματισμένου νερού, χωρητικότητας 5m3 η οποία θα τοποθετηθεί στο χώρο του κεντρικού αντλιοστασίου του κτιρίου και θα τροφοδοτείται με κλιματισμένο νερό από το Γεωθερμικό Μηχανοστάσιο μέσω ισχυρά μονωμένων σωληνώσεων.

- Πέντε (5) in line αντλίες οι οποίες χρησιμεύουν για την κυκλοφορία του νερού εσωτερικά στο μηχανοστάσιο, δυο μεταξύ πλακοειδών εναλλακτών και θερμαντλιών, μια μεταξύ γεωθερμικών εναλλακτών και θερμαντλίας (R-407c) και δυο μεταξύ θερμαντλιών και δεξαμενής τροφοδοσίας συστήματος κλιματισμού κτιρίου.

- Την διάταξη συνοδεύει και δεξαμενή θερμού νερού χρήσης, χωρητικότητας 2,5m3 η οποία θα τοποθετηθεί στο χώρο του κεντρικού αντλιοστασίου του κτιρίου, επίσης και θα καλύπτει τις ανάγκες θερμού νερού του κτιρίου.

- Τέλος η όλη διάταξη συνοδεύεται από παράκαμψη «συντήρησης» του κτιρίου η οποία

1 kWc: Ισχύς ψύξης.2 kWh: Ισχύς θέρμανσης.

αποτελείται από σύστημα παρακαμπτηρίου αγωγού ο οποίος μεταφέρει το θερμικό (ψυκτικό) περιεχόμενο του γεωθερμικού πεδίου. Με τον τρόπο αυτό και με λειτουργία μόνο του τμήματος των in line αντλιών νερού προστατεύεται το κτίριο από την δημιουργία ακραίων συνθηκών και οι θερμαντλίες να αντιμετωπίζουν μικρά σχετικά φορτία εκκίνησης. [2]

6.1.1. Συνθήκες λειτουργίας

Οι συνθήκες λειτουργίας των θερμαντλιών που είναι συζευγμένες με το υπέδαφος είναι διαφορετικές από αυτές που λειτουργούν με αέρα. Επίσης διαφορετικότητα παρουσιάζεται και στις θερμαντλίες που λειτουργούν με ανοικτό ή κλειστό κύκλωμα νερού και τούτο διότι στις μεν παρουσιάζονται σταθερές συνθήκες θερμικής συμπεριφοράς στις δε δεύτερες παρουσιάζονται μεταβλητές συνθήκες θερμικής συμπεριφοράς. Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται οι συνθήκες λειτουργίας των θερμαντλιών.

Ο έλεγχος της λειτουργίας των θερμαντλιών γίνεται μέσω προγραμματισμένου πίνακα ελεγκτή ο οποίος είναι προγραμματισμένος για δυο βασικές συνθήκες λειτουργίας, χειμώνα και θέρος, η συνδεσμολογία του οποίου παρουσιάζεται στα Σχήματα 4 και 5 αντίστοιχα.

Κατά την ετήσια λειτουργία των συσκευών μετρήθηκαν οι συνθήκες λειτουργίας της συγκεκριμένης εγκατάστασης και προσδιορίστηκε η ακριβής συμπεριφορά τους καθώς και τα επιμέρους χαρακτηριστικά τους σημεία. Οι μετρηθείσες τιμές συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες τιμές λειτουργίας των συσκευών αέρα και μάλιστα σε συνθήκες ακραίες όπου παρουσιάζεται έντονη η διαφοροποίηση της λειτουργίας τους. Στους πίνακες 3 και 4 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές τιμές και τα προσδιοριζόμενα μεγέθη τα οποία ισχύουν για κάθε συσκευή, με τιμές μετρήσιμες των γεωθερμικών θερμαντλιών και από πολλαπλές μετρήσεις και προσεγγίσεις για τη περίπτωση των θερμαντλιών αέρα. Χαρακτηριστικά στοιχεία στους δυο πίνακες επίσης είναι η διαφορά του ψυκτικού μέσου και η σταθερότητα των συνθηκών απόρριψης της θερμότητας η οποία στη περίπτωση του ανοικτού κυκλώματος γεωθερμικού συστήματος (ψυκτικό μέσο R-22) παρουσιάζει χαρακτηριστική σταθερότητα καθόλη τη διάρκεια της λειτουργίας μεταβολές στις μετρήσεις με διακύμανση κάτω του 1% σε αντίθεση με το κλειστό κύκλωμα (ψυκτικό μέσο R-407c) όπου η διακύμανση ανέρχεται σε ποσοστό 3,5% και φυσικά του αέρα όπου η διακύμανση υπερβαίνει το 70% κατά τη διάρκεια της περιόδου (ημερήσιας ή ετήσιας). [2]

7

Σχήμα 4: Διάγραμμα λειτουργίας χειμώνα

Σχήμα 5: Διάγραμμα λειτουργίας θέρους

α/α

Περίοδος και

ΣτοιχείαΑέρα

Γεωθερμική

Μονάδες

Χειμώνας1 Θερμοκρασία

Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

45,0/-3,15

44,79/13,833

οC

2 Πίεση Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

17,28/4,07

17,18/7,154 bar

3 Διαφορά πίεσης ΔΡ

13,21 10,30 bar

4 Λόγος συμπίεσης

4,25 2,40

5 Εσωτερικός βαθμός

68 71 %

3 Υπό πολύ ακραίες συνθήκες φόρτισης4 Ελάχιστη

απόδοσης6 Θεωρητικό

COA5,15 8,415

7 Ισχύς ανεμιστήρων και αντλιών

4,96 1,50 kW

8 Πραγματικό COA

3,38 5,885

Θέρος1 Θερμοκρασία

Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

43,25/3,84

29,84/3,84 οC

2 Πίεση Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

16,52/5,16

11,49/5,16 bar

3 Εσωτερικός βαθμός απόδοσης

68 71 %

4 Θεωρητικό COP

5,52 9,14

5 Ισχύς ανεμιστήρων και αντλιών

4,96 1,50 kW

6 Πραγματικό COP

3,26 6,06

Πίνακας 3: Θερμαντλία με ψυκτικό μέσο R-407c, συζευγμένη με κλειστό κύκλωμα

νερού.

α/α

Περίοδος και

ΣτοιχείαΑέρα

Γεωθερμική

Μονάδες

Χειμώνας

1

Θερμοκρασία Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

45,0/-3,00

45,0/14,04

οC

2

Πίεση Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

17,29/4,51

17,29/7,674 bar

3Διαφορά πίεσης ΔΡ

12,78 9,625 bar

4Λόγος συμπίεσης

3,84 2,26

5Ογκομετρικός Βαθμός Απόδοσης

76 86,5 %

6Εσωτερικός βαθμός απόδοσης

68,4 77,9 %

7Θεωρητικό COA

5,37 8,705

8Ενδεικνυόμενο COA

3,97 6,39

9Ισχύς ανεμιστήρων και αντλιών

11 3,33 kW

10 Πραγματικό 3,47 5,975

8

COAΘέρος

1

Θερμοκρασία Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

43,0/3,84

30,044,00

οC

2

Πίεση Συμπύκνωσης/ Ατμοποίησης

16,49/5,66

11,92/5,66 bar

3Εσωτερικός βαθμός απόδοσης

70 75 %

4Θεωρητικό COP

5,76 9,32

5Ισχύς ανεμιστήρων και αντλιών

11 3,33 kW

6Πραγματικό COP

3,51 6,49

Πίνακας 4: Θερμαντλία με ψυκτικό μέσο R-22, συζευγμένη με κλειστό κύκλωμα νερού.

Χαρακτηριστικές τιμές της λειτουργίας των θερμαντλιών καθώς και λοιπά συγκριτικά στοιχεία παρουσιάζονται στον πίνακα 5.

Χειμώνας Θέρος

Γεωθερμία R-22 R407C

R-22 R407C

Θερμότητα Ατμοποίησης Qe

153,75

157,80

170,15

179,09 kJ/kg

Θερμότητα Συμπύκνωσης Qc

182,27

187,76

194,49

206,64 kJ/kg

Ειδικό έργο Συμπίεσης W 28,52 29,96 24,34 27,56 kJ/kg

Ενδεικνυόμενο COP 6,39 6,27 6,99 6,50

Λόγος πιέσεων 2,256 2,404 2,106 2,228

Ισχύς Αντλιών 3,33 1,50 3,33 1,50 kW

Πραγματικό COP 5,97 5,88 6,49 6,06

Θερμική και Ψυκτική ισχύς 314,8 141,8 300,0 135,2 kW

Απορρ. Ισχύς 50,28 24,12 46,24 22,30 kWΠαροχή μάζας Ψυκτικού mr

1,727 0,7552

1,7631

0,7549 kg/s

Παροχή Όγκου στην είσοδο του συμπιεστή. Vr

0,054 0,0261

0,0705

0,0355 m3/s

Παροχή Όγκου στην έξοδο του συμπιεστή Vr

0,0276

0,0102

0,0397

0,0170 m3/s

Ειδικός όγκος Εισόδου. υ

0,0315

0,0345 0,04 0,047 m3/kg

Ειδικός όγκος Εξόδου υ 0,016 0,013

50,022

50,022

5 m3/kg

Αέρας

Θερμότητα Ατμοποίησης Qe

147,88

148,563

153,12

155,38 kJ/kg

Θερμότητα Συμπύκνωσης Qc

197,64

201,084

191,11

197,34 kJ/kg

Ειδικό έργο Συμπίεσης W 49,76 52,52

1 38,00 41,96 kJ/kg

Ενδεικνυόμενο COP 3,97 3,83 4,03 3,70

Λόγος πιέσεων 3,84 4,25 2,9134

3,2018

Χειμώνας Θέρος

Γεωθερμία R-22 R407C

R-22 R407C

Ισχύς Ανεμιστήρων 11 4,96 11 4,96 kW

Πραγματικό COP 3,47 3,38 3,51 3,26

Απορροφούμενη Ισχύς 86,53 41,99 85,44 41,46 kW

Παροχή μάζας Ψυκτικού mr

1,6510

0,7338

1,9593

0,8658 kg/s

Παροχή Όγκου στην είσοδο του συμπιεστή. Vr

0,0867

0,0437

0,0784

0,0407 m3/s

Παροχή Όγκου στην έξοδο του συμπιεστή Vr

0,0305

0,0121

0,0343

0,0141 m3/s

Ειδικός όγκος Εισόδου. υ

0,0525

0,0595 0,04 0,047 m3/kg

Ειδικός όγκος Εξόδου υ

0,0185

0,0165

0,0175

0,01625 m3/kg

Συγκρίσεις

Λόγος COPg/COPa 1,72 1,74 1,85 1,86Λόγος μαζών mrg/mra

1,05 1,03 0,90 0,87

Λόγος Όγκων εισ. Vrg/Vra 0,63 0,60 0,90 0,87

Λόγος Όγκων εξ. Vrg/Vra 0,90 0,84 1,16 1,21

Πίνακας 5: Συγκριτικά στοιχεία των θερμαντλιών

6.1.2. Αποτελέσματα και Συμπεράσματα

Το σύστημα εκμετάλλευσης ομαλής γεωθερμίας στην εγκατάσταση των Μεταλλειολόγων ΕΜΠ παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα:

Βελτιώνει το βαθμό απόδοσης (COP/COA) τόσο όσο αφορά στη στιγμιαία λειτουργία όσο και στη συνολική ετήσια. Οι μετρημένες τιμές για την εγκατάσταση φθάνουν μέχρι 6,49 έναντι 3,51 ήτοι αύξηση 185%.

Μειώνει την εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ της μονάδας και του όγκου και του μεγέθους των συμπιεστών, δεδομένου ότι η απαραίτητη απαίτηση της ψύξης παραμένει σταθερή ενώ ταυτόχρονα μειώνεται η θερμοκρασιακή διαφορά λειτουργίας με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ογκομετρική απόδοση των συμπιεστών ενδεικτικές τιμές είναι 46,24kWe για τη γεωθερμική έναντι 85,44 kWe για τον αέρα, μείωση κατά 46%.

Μειώνει τον όγκο του συμπυκνωτή τη περίοδο του θέρους, (ατμοποιητή το χειμώνα) μέχρι και 9% δεδομένου ότι η λειτουργία της μονάδας και η παραγωγή βελτιώνονται.

Δημιουργεί τους καλύτερους όρους συσχέτισης των παροχών που λειτουργούν ως αντλίες θερμότητας (ελαχιστοποιείται το μέγεθος των συμπυκνωτών) κατά 32%.

Λόγω της πτώσης θερμοκρασίας στο περιβάλλον απόρριψης θερμότητας (αύξηση θερμοκρασίας και απορρόφηση κατά το χειμώνα) αυξάνεται η αποδοτικότητα όλων των

9

μεμονωμένων συσκευών και ιδιαίτερα του συμπιεστή.

Μεγιστοποιεί τη διάρκεια ζωής της μονάδας.

Εξοικονόμηση ενέργειας 10% λόγω της μείωσης της παροχής ψυκτικού μέσου.

Εξοικονόμηση ενέργειας μέχρι 34% από την ουσιαστική μείωση διαφοράς θερμοκρασίας.

Απορρόφηση θερμότητας στις εγκαταστάσεις κλιματισμού χωρίς την ενεργοποίηση της ψυκτικής διάταξης μέσω του συστήματος συντήρησης κτιρίου όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι υψηλότερη μεν αυτής του χώρου αλλά τα φορτία είναι μικρά καλύπτοντας μέχρι και 249,45kW.

Μείωση όγκου των εγκαταστάσεων κατά 15%.

Μείωση όγκου και βάρους ψυκτικής διάταξης μέχρι 10%.

Μείωση ηλεκτρικών φορτίων.

Μείωση κόστους λειτουργίας.

Βελτίωση των περιβαλλοντικών συνθηκών, λόγω της απόρριψης της θερμότητας στο γήινο περιβάλλον και όχι στον περιβάλλοντα αέρα. Αξίζει να τονιστεί ότι η απόρριψη αυτή αντιστοιχεί σε 1,5 Κ/min.

Βελτίωση ογκομετρικού βαθμού απόδοσης συμπιεστή μέχρι 12,5%.

Επέκταση ζωής συμπιεστή λόγω της μείωσης της καταπόνησης του τόσο από άποψη πίεσης όσο και θερμοκρασίας. [2]

6.2. Πυλαία Θεσσαλονίκης

Το Σεπτέμβριο του 2002 τέθηκε σε λειτουργία ένα αβαθές γεωθερμικό σύστημα για τον πλήρη κλιματισμό του Νέου Δημαρχείου Πυλαίας στο Νομό Θεσσαλονίκης. Το σύστημα αποτελείται από τον κατακόρυφο γεωεναλλάκτη, έντεκα (11) αντλίες θερμότητας νερού-νερού, τρεις (3) κλιματιστικές μονάδες, τερματικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου (fan coils), καθώς και από τα απαραίτητα δίκτυα νερού και αέρα. Η εφαρμογή είναι πρωτοποριακή σε μέγεθος για τον Ελλαδικό χώρο και παρακολουθείται συνεχώς από το Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών (ΕΚΣΔ) του Α.Π.Θ. Επειδή η εφαρμογή χρησιμοποιείται και για ερευνητικούς σκοπούς εγκαταστάθηκε σύστημα συνεχούς καταγραφής δεδομένων (data logger) που καταγράφει τις θερμοκρασίες εισόδου/εξόδου του νερού από το γεωεναλλάκτη καθώς και την εξωτερική θερμοκρασία του αέρα. Από την επεξεργασία των παραμέτρων που καταγράφονται και καλύπτουν χρονική περίοδο τριών ετών, προκύπτουν ικανοποιητικά συμπεράσματα για την απόδοση και

λειτουργία του συστήματος καθώς και συμπεράσματα ευρύτερου ενδιαφέροντος που μπορούν να αποτελέσουν χρήσιμο οδηγό στο σχεδιασμό και λειτουργία παρόμοιων συστημάτων στο μέλλον. [3]

6.2.1. Περιγραφή εγκατάστασης

Το σύστημα των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας που εγκαταστάθηκε στο νέο κτίριο του Δημαρχείου της Πυλαίας στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, ξεκίνησε την λειτουργία του τον Σεπτέμβριο του 2003 και παρακολουθείται διαρκώς με κατάλληλες συνεχείς μετρήσεις από το Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών του Α.Π.Θ.

Στο κτίριο στεγάζονται οι υπηρεσίες Διοίκησης του Δήμου Πυλαίας. Είναι χτισμένο σε ημιαστική περιοχή, σε επικλινές οικόπεδο, συνολικής έκτασης 900 m2, έχει δύο υπόγειους και τρεις υπέργειους ορόφους. Οι κύριοι χώροι του κτιρίου καταλαμβάνουν συνολικά έκταση 1350 m2 και είναι κυρίως γραφεία, αίθουσες συσκέψεων, μία αίθουσα εκδηλώσεων 200 ατόμων και χώροι κυκλοφορίας. Όλοι οι κύριοι χώροι του κτιρίου κλιματίζονται. Οι βοηθητικοί χώροι του κτιρίου, που έχουν έκταση 1070 m2, είναι χώροι αποθηκών και αρχείων, ένας υπόγειος σταθμός αυτοκινήτων και χώροι εγκαταστάσεων. Στους χώρους αυτούς έχουν προβλεφθεί απλά οι απαραίτητες εγκαταστάσεις αερισμού – εξαερισμού. Το κτίριο είναι σε λειτουργία 250 περίπου ημέρες το χρόνο με βασικό ωράριο 08:00-18:00 h.

Ο προσανατολισμός, η μορφή και η διαρρύθμιση των χώρων του κτιρίου είναι τέτοια ώστε να εμφανίζονται ταυτόχρονα, αρκετά συχνά τις ενδιάμεσες κυρίως περιόδους (φθινόπωρο και άνοιξη), απαιτήσεις ψύξης σε κάποιους χώρους του κτιρίου και θέρμανσης σε άλλους.

Η περιοχή στην οποία βρίσκεται το κτίριο είναι σε απόσταση 8 km από το κέντρο της Θεσσαλονίκης. Οι βασικές παράμετροι του κλίματος στην περιοχή δίνονται στον Πίνακα 6. Το υπέδαφος του κτιρίου αποτελείται από διαδοχικά στρώματα αμμώδους και αργιλώδους εδάφους στα οποία παρεμβάλλονται υδροφόρα στρώματα μικρής έντασης.

Το συνολικό θερμικό φορτίο του κτιρίου κατά τη φάση σχεδιασμού υπολογίστηκε ίσο με 150 kW με τις απώλειες αερισμού να είναι το 60% αυτού του φορτίου. Το συνολικό ψυκτικό φορτίο υπολογίστηκε ίσο με 270 kW και εμφανίζεται τις ώρες 15:00-17:00. Η μεγάλη διαφορά μεταξύ ψυκτικού και θερμικού φορτίου οφείλεται κυρίως στα υψηλά φορτία ηλιασμού και θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι τυπική για κτίρια γραφείων στην Ελλάδα, ακόμη και στις Βόρειες περιοχές της χώρας.

10

Γεωγραφικό πλάτος / μήκος40.5 N / 23.0 E

Θερμαντική ΠερίοδοςΝοέμβριος - Μάρτιος

Συνθήκες Σχεδιασμού Θερμικού Φορτίου (99.6%)

-5.0 oC

Μέση Ημερήσια Θερμοκρασία Ιανουαρίου

6.1 oC

Βαθμοημέρες Θέρμανσης (βάσης 18oC)

1800 Kdays

Ψυκτική ΠερίοδοςΜέσο Μαΐου – Σεπτέμβριος

Συνθήκες Σχεδιασμού Ψυκτικού Φορτίου (0.4% DB/MCWB)

34.0 DB/ 21.0 WB

Μέση Ημερήσια Θερμοκρασία Ιουλίου

26 oC

Αδιατάρακτη Θερμοκρασία Εδάφους

18.0 oC

Πίνακας 6: Βασικές κλιματικές παράμετροι

Ο κλιματισμός των γραφείων και των χώρων κυκλοφορίας του κτιρίου γίνεται με τερματικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου (Fan Coil Units). Οι τερματικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου οργανώθηκαν ως προς τη σύνδεσή τους με το δίκτυο θερμού-ψυχρού νερού σε τέσσερις ομάδες, ανάλογα με τα λειτουργικά και θερμικά

χαρακτηριστικά των χώρων που εξυπηρετούν. Κατασκευάστηκαν τέσσερα επί μέρους δίκτυα τερματικών μονάδων ανεμιστήρα-στοιχείου, με ιδιαίτερους κυκλοφορητές, που εξυπηρετούν περιοχές του κτιρίου με ανάλογα λειτουργικά χαρακτηριστικά και θερμική συμπεριφορά. Κάθε ένα από τα τέσσερα δίκτυα είναι αυτόνομο από τα υπόλοιπα και μπορεί να είναι σε λειτουργία για θέρμανση ή ψύξη των χώρων που εξυπηρετεί, ανεξάρτητα από την κατάσταση των υπολοίπων. Τα τέσσερα δίκτυα συνδέθηκαν αντίστοιχα με τέσσερα συγκροτήματα αντλιών θερμότητας νερού-νερού.

Για την παροχή νωπού αέρα στους χώρους γραφείων και κυκλοφορίας εγκαταστάθηκαν δύο Κεντρικές Κλιματιστικές Μονάδες με στοιχεία νερού και για τον εξαερισμό τους μονάδες ανεμιστήρων. Άλλη μία Κεντρική Κλιματιστική Μονάδα εγκαταστάθηκε για τον κλιματισμό της Αίθουσας Εκδηλώσεων.

Τα στοιχεία νερού όλων των Κλιματιστικών Μονάδων συνδέθηκαν αντίστοιχα με ομάδες αντλιών θερμότητας (μία ομάδα αντλιών θερμότητας για κάθε μονάδα). Τα στοιχεία των κλιματιστικών μονάδων και των τερματικών μονάδων ανεμιστήρα-στοιχείου επιλέχθηκαν για θερμοκρασίες νερού προσαγωγής 45 oC κατά τη θέρμανση και 9 oC κατά την ψύξη.

Εγκαταστάθηκαν 7 συγκροτήματα αντλιών θερμότητας νερού-νερού, τέσσερα για τα κυκλώματα των τερματικών μονάδων ανεμιστήρα-

στοιχείου και τρία για τις κλιματιστικές μονάδες. Η απόδοση σε ψύξη κάθε συγκροτήματος αντλιών θερμότητας είναι 20-60 kW. Κάθε συγκρότημα αποτελείται από δύο έως τρεις μονάδες αντλιών θερμότητας, με παράλληλη μεταξύ τους σύνδεση και λειτουργία υπό κοινό έλεγχο. Με τον τρόπο αυτό θεωρήθηκε ότι θα βελτιωθεί η απόδοση και η λειτουργία των συστημάτων σε μερικό φορτίο, χωρίς την εγκατάσταση διατάξεων αδρανείας (buffer tanks).

Τα πρωτεύοντα κυκλώματα των αντλιών θερμότητας συνδέθηκαν από κοινού με το δίκτυο των γεωεναλλακτών που κατασκευάστηκε εκ των υστέρων. Πρόκειται για 21 κατακόρυφες γεωτρήσεις (3 σειρές των 7 γεωτρήσεων σε κάνναβο 4.5 x 4.5 m) διαμέτρου 4 in, με σωλήνες πολυαιθυλενίου (PE-HD 16atm) σε σχήμα απλού U-Tube, που φτάνουν σε βάθος 80 m περίπου. Οι γεωτρήσεις κατασκευάστηκαν στη μικρή σχετικά διαθέσιμη έκταση μπροστά από το κτίριο. Το υγρό του πρωτεύοντος κυκλώματος είναι αποσκληρυμένο νερό. Γύρω από τους σωλήνες χύθηκε μείγμα μπεντονίτη και τσιμέντου σε αναλογία 1:19.

Στο πρωτεύον κύκλωμα των αντλιών θερμότητας εγκαταστάθηκε λέβητας με καυστήρα ελαφρού πετρελαίου (μελλοντικά αερίου καυσίμου) θερμικής ισχύος 120 kW και μέσω εναλλάκτη ανοιχτός πύργος ψύξης, για την ομαλή λειτουργία της εγκατάστασης κατά τις περιόδους που το πεδίο των γεωτρήσεων θα τεθεί εκτός λειτουργίας λόγω υπερφόρτισης. Η εγκατάσταση λέβητα και πύργου ψύξης εξασφάλισε και την ομαλή λειτουργία του συστήματος κατά την αρχική περίοδο λειτουργίας του κτιρίου, οπότε δεν είχε εγκατασταθεί το πεδίο των γεωτρήσεων. Επίσης προβλέφθηκαν δύο εναλλάκτες επάνω στο πρωτεύον κύκλωμα, για την ανάκτηση θερμότητας από τα απορριπτόμενα ρεύματα του αέρα εξαερισμού του κτιρίου. Τα όρια λειτουργίας του πεδίου των γεωτρήσεων ορίστηκαν από τη θερμοκρασία προσαγωγής νερού προς τα συγκροτήματα των αντλιών θερμότητας (έξοδος από τις γεωτρήσεις) και είναι 4 - 40 oC. Σε περίπτωση υπέρβασης των ορίων αυτών ενεργοποιούνται ο λέβητας ή ο πύργος ψύξης και παρακάμπτεται το πεδίο των γεωεναλλακτών. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα λειτουργίας του πύργου ψύξης κατά τις βραδινές ώρες της θερινής περιόδου, που το κτίριο είναι εκτός λειτουργίας, για την αποφόρτιση (ψύξη) του πεδίου των γεωτρήσεων.

Η επιλογή μονάδων τύπου νερού-νερού και η ιδιαίτερη σχεδίαση που εμφανίζεται με την εγκατάσταση κλιματιστικών μονάδων και τερματικών μονάδων ανεμιστήρα-στοιχείου έγινε γιατί την περίοδο σχεδιασμού της εγκατάστασης δεν υπήρχαν στην Ελληνική αγορά αντλίες θερμότητας διαφορετικού τύπου.

11

Για τον έλεγχο της εγκατάστασης προβλέφθηκε από το σχεδιασμό εκτεταμένο Σύστημα Κεντρικού Ελέγχου που σήμερα βρίσκεται στη φάση εγκατάστασης. Μέσω του συστήματος αυτού, εκτός από τον αυτόματο έλεγχο όλων των συσκευών και δικτύων, θα γίνεται και η συλλογή και καταγραφή των δεδομένων που είναι απαραίτητα για την ενεργειακή αξιολόγηση του συστήματος. Προσωρινά, μέχρι την εγκατάσταση του συστήματος αυτού, το σύστημα ελέγχεται είτε με μικρές αυτόνομες μονάδες ελέγχου είτε χειροκίνητα. Η καταγραφή των απαραίτητων δεδομένων για τη μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος γίνεται από φορητό σύστημα καταγραφής (data logger). [3]

6.2.2. Σύστημα καταγραφής

Για την παρακολούθηση της λειτουργίας, η εγκατάσταση εξοπλίσθηκε, μετά την κατασκευή της, με σύστημα συνεχούς καταγραφής δεδομένων (data logger) αποτελούμενο από:

Θερμόμετρα αντίστασης Pt-100 τύπου φιλμ, κατασκευής UTECO. Για τη βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων επιλέχθηκε ο τύπος θερμομέτρων αντίστασης τεσσάρων αγωγών. Τα θερμόμετρα αυτά είναι τοποθετημένα εξωτερικά στους αγωγούς προσαγωγής και επιστροφής του γεωεναλλάκτη.

Θερμόμετρο αντίστασης Pt-100 τριών αγωγών κατασκευής UTECO, κατάλληλο για τοποθέτηση στο ύπαιθρο, για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Το θερμόμετρο αυτό τοποθετήθηκε στη βορειοδυτική πλευρά του κτιρίου, σε θέση σχετικά προφυλαγμένη από την ηλιακή ακτινοβολία.

Σύστημα καταγραφής δεδομένων και τροφοδοσίας των θερμοστοιχείων (data logger), κατασκευής Campbell Scientific, τύπος CR-10.

Για την εξασφάλιση ικανοποιητικής αυτονομίας στη διάταξη, και με δεδομένο το σχετικά αργό ρυθμό μεταβολής των μετρούμενων μεγεθών, ο προγραμματισμός του συστήματος καταγραφής προβλέπει την αποθήκευση μίας σειράς δεδομένων ανά 10 min (θερμοκρασίες νερού στην είσοδο και την έξοδο του γεωεναλλάκτη, θερμοκρασία περιβάλλοντος και φυσικά ημερομηνία και ώρα καταγραφής).

Η παροχή νερού στο γεωεναλλάκτη μετρήθηκε επανειλημμένα με εξωτερικό ροόμετρο υπερήχων, κατασκευής Panametrics, τύπος PT-878. Δεν γίνεται καταγραφή της παροχής επειδή διαπιστώθηκε ότι παραμένει σταθερή στην τιμή 48 m3/h, όπως άλλωστε ήταν αναμενόμενο, αφού επιβάλλεται από τη λειτουργία της αντλίας κυκλοφορίας, και μηδενίζεται μόνο όταν

σταματήσει η λειτουργία όλων των αντλιών θερμότητας. [3]

6.2.3. Αποτελέσματα λειτουργίας

Τον Δεκέμβριο του 2005 συμπληρώθηκαν 36 μήνες συνεχούς καταγραφής των παραμέτρων λειτουργίας του αβαθούς γεωθερμικού συστήματος του Νέου Δημαρχείου Πυλαίας. Ο χρονικός αυτός ορίζοντας θεωρείται ικανοποιητικός για την εξαγωγή συμπερασμάτων, που μπορούν να αξιολογήσουν ενεργειακά το σύστημα, και να αποτελέσουν οδηγό για την αναμενόμενη συμπεριφορά μελλοντικών συστημάτων του Ελληνικού χώρου.

Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται η διακύμανση της μέγιστης θερμοκρασίας εξόδου του νερού από το γεωεναλλάκτη από τον Ιανουάριο του 2003 μέχρι τον Δεκέμβριο του 2005. Εάν εξαιρεθούν οι δεκαεπτά πρώτες εβδομάδες λειτουργίας (Ιαν. - Απρ. 2003), βλέπουμε πως κατά την χειμερινή (θερμαντική) λειτουργία του συστήματος η μέγιστη θερμοκρασία εξόδου του νερού κυμαίνεται στην περιοχή των 21 - 24 οC, ενώ κατά την διάρκεια του θέρους (ψυκτική λειτουργία) είναι της τάξης των 40 οC.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

Α/Α ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ

ΘΕ

ΡΜΟ

ΚΡΑ

ΣΙΑ

[ ο C

]

2003 2004 2005

Σχήμα 6: Μέγιστη Θερμοκρασία Εξόδου του Νερού από το Γεωεναλλάκτη.

Κατά απόλυτη αντιστοιχία στο Σχήμα 7 εικονίζεται η ελάχιστη θερμοκρασία εξόδου του νερού από τον γεωεναλλάκτη. Από το διάγραμμα παρατηρούμε πως για τα έτη 2004 και 2005 η μέση ελάχιστη θερμοκρασία του νερού ήταν της τάξης των 17 οC, για την χειμερινή λειτουργία, ενώ αντίστοιχα κατά την θερινή λειτουργία αυτή ανήλθε στους 32 οC. Από την σύγκριση των καταγραφών για τα τρία αυτά χρόνια βλέπουμε πως οι θερμοκρασίες των ετών 2004 και 2005, είναι περίπου όμοιες, τόσο ως προς την ελάχιστη όσο και ως προς την μέγιστη τιμή τους. Σημαντική διαφορά παρουσιάζουν οι θερμοκρασίες του πρώτου έτους και κυρίως αυτές της περιόδου θέρμανσης. Το γεγονός αυτό είναι απόλυτα φυσιολογικό διότι κατά την πρώτη περίοδο η

12

θερμοκρασία του εδάφους ήταν αδιατάραχτη (περίπου 18 οC) και με τα θερμικά φορτία που εμφανίστηκαν αναγκάστηκε να κατεβεί αρκετά χαμηλά (7 οC). Στην συνέχεια λόγω των κύκλων ψύξης που ακολούθησαν, το έδαφος ανέκτησε την αρχική του θερμοκρασία και μάλιστα προσαυξημένη κατά 2 - 3 οC.

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

Α/Α ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ

ΘΕ

ΡΜ

ΟΚ

ΡΑ

ΣΙΑ

[ o C

]

2003 2004 2005

Σχήμα 7: Η Ελάχιστη Θερμοκρασία Εξόδου του Νερού από το Γεωεναλλάκτη.

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

Α/Α ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ

HS

PF

2003 2004 2005

Σχήμα 8: Εβδομαδιαία Διακύμανση του Συντελεστή Συμπεριφοράς (HPF) των Α.Θ.

Από την συμπεριφορά αυτή φαίνεται πως η εκκίνηση των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας είναι καλύτερα να γίνεται κατά την θερινή περίοδο, ώστε να δίνεται η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στο έδαφος που θα διευκολύνει αρκετά τον πρώτο θερμαντικό κύκλο. Η επισκόπηση των δυο διαγραμμάτων δείχνει πως για να επιτευχθεί μια θερμοκρασιακή ισορροπία του εδάφους μεταξύ των διαδοχικών κύκλων λειτουργίας του συστήματος είναι απαραίτητη μια μεταβατική χρονική περίοδος 2,5 - 3 ετών.

Από το σημείο αυτό και μετά φαίνεται πως δεν πρέπει να αναμένονται σημαντικές διαφοροποιήσεις της θερμοκρασίας του γεωεναλλάκτη και κατ’ επέκταση και των χαρακτηριστικών λειτουργίας των αντλιών θερμότητας.

Στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται η διακύμανση του εβδομαδιαίου συντελεστή συμπεριφοράς των αντλιών θερμότητας (HPF). Ως εβδομαδιαίος συντελεστής συμπεριφοράς ορίζεται το πηλίκο της προσδιδόμενης από την αντλία θερμότητας ενέργειας στο κτίριο προς την ηλεκτρική της κατανάλωση. Παρατηρούμε πως εκτός της πρώτης περιόδου λειτουργίας η απόδοση του συστήματος στις περιόδους θέρμανσης είναι της τάξης του 5 - 5,5 ενώ αντίστοιχα κατά τις ψυκτικές περιόδους αυτή μειώνεται κατά μια μονάδα. Η απόδοση αυτή κρίνεται αρκετά ικανοποιητική ειδικά στους χειμερινούς μήνες.

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

A/A EΒΔΟΜΑΔΑΣ

ΘΕ

ΡΜ

ΟΚ

ΡΑ

ΣΙΑ

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

HP

F

Tper HSPF

Σχήμα 9: Εβδομαδιαία Διακύμανση του Συντελεστή Συμπεριφοράς (HPF) των Α.Θ.

και της Θερμοκρασίας Περιβάλλοντος κατά το 2004.

Τέλος, στο Σχήμα 9 εικονίζεται ενδεικτικά για το έτος 2004 ο εβδομαδιαίος συντελεστής συμπεριφοράς και η μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος της κάθε εβδομάδας. Από τις κλίσεις των καμπυλών είναι προφανές ότι δεν υπάρχει άμεση εξάρτηση του συντελεστή από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Έμμεσα η μεταβολή της θερμοκρασίας επιδρά στον συντελεστή μέσω του φορτίου και της θερμοκρασίας που διαμορφώνει στον γεωεναλλάκτη. Είναι χαρακτηριστικό πως αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 οC περίπου οδήγησε σε μείωση του συντελεστή κατά μια μόνο μονάδα. Το γεγονός αυτό είναι σημαντικό επειδή οι έντονες μεταβολές της θερμοκρασίας ειδικά στην θερμαντική περίοδο έχουν ελάχιστη επίδραση στον συντελεστή συμπεριφοράς, γεγονός που θα ήταν αναπόφευκτο αν στην θέση της αντλίας θερμότητας νερού/νερού χρησιμοποιούνταν μια αέρα/αέρα. Στην περίπτωση αυτή κατά τους μήνες Ιανουάριο - Φεβρουάριο (1η - 8η εβδομάδα), όπου η θερμοκρασία του αέρα ήταν περίπου 5 οC και ο συντελεστής συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας νερού/νερού ήταν μεταξύ 5,1 - 5,3 η χρήση αντλίας θερμότητας αέρα/αέρα θα ήταν εντελώς αντιοικονομική. [3]

6.2.4. Συμπεράσματα

13

Η εγκατάσταση και λειτουργία του αβαθούς γεωθερμικού συστήματος του Νέου Δημαρχείου Πυλαίας αποτελεί την μεγαλύτερη έως τώρα εφαρμογή τέτοιου συστήματος στον Ελλαδικό χώρο. Από τις καταγραφές των χαρακτηριστικών μεγεθών λειτουργίας προκύπτει πως η μέγιστη θερμοκρασία εξόδου του νερού από το γεωεναλλάκτη ανέρχεται στους 21 oC - 24 oC κατά τους χειμερινούς μήνες και περίπου στους 40 oC κατά τους θερινούς. Αντίστοιχα και όσο αφορά την ελάχιστη θερμοκρασία εξόδου του νερού από το γεωεναλλάκτη αυτή κυμαίνεται στους 17 oC το χειμώνα και στους 32 oC το καλοκαίρι. Τα θερμοκρασιακά αυτά επίπεδα εξασφαλίζουν την οικονομική λειτουργία του συστήματος δεδομένου ότι ο εβδομαδιαίος συντελεστής συμπεριφοράς (ΗPF), είναι μεταξύ 5 - 5,5 για την περίοδο της θέρμανσης και 4 - 5 για την περίοδο της ψύξης. Δεδομένου ότι από τα αποτελέσματα των καταγραφών δεν παρατηρείται ουσιώδης μεταβολή στην λειτουργία του συστήματος μετά τον δεύτερο χρόνο, είναι προφανές πως ο χρονικός αυτός ορίζοντας είναι ικανός για την ισορροπία του συστήματος. Κατά απόλυτη πλέον αναλογία τα παραπάνω χαρακτηριστικά μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικά για την λειτουργία του συστήματος και δεν πρέπει να αναμένουμε σημαντικές για αυτά μεταβολές στις επόμενες περιόδους. [3]

7. Αλγόριθμος υπολογισμού μέγιστου θερμικού φορτίου εναλλακτών θερμότητας για την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας

Η μελέτη του θερμοκρασιακού προφίλ που αναπτύσσεται σε κατακόρυφους γεωεναλλάκτες ξεκίνησε πριν από περίπου 50 χρόνια. Η πρώτη αναλυτική προσέγγιση δημοσιεύτηκε από τους Carslaw and Jaeger [7], προσομοιώνοντας τον κατακόρυφο γεωεναλλάκτη ως μια γραμική ή κυλινδρική πηγή θερμότητας. Οι Ingersoll et al. ανάπτυξαν περαιτέρω την γραμμική προσέγγιση. Σκοπός της προσέγγισης ήταν ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας του εδάφους σε συνάρτηση του χρόνου και της απόστασης από την πηγή.

Η κυλινδρική προσέγγιση γίνεται με τις παραδοχές ομογενούς και ισοτροπικού εδάφους και είναι ιδιαίτερα χρονοβόρα και πολύπλοκη consuming. Η γραμμική προσέγγιση, βασισμένη στη θεωρία του Kelvin, είναι απλούστερη και δίνει παραπλήσια αποτελέσματα. Πρόσφατα παρουσιάστηκαν αριθμητικές μέθοδοι βασισμένες στις μεθόδους πεπερασμένων διαφορών (Rottmayer et al.) ή πεπερασμένων στοιχείων (Philippacopoulos and Berndt).

Όλα τα μοντέλα που προαναφέρθηκαν υπολογίζουν το θερμοκρασιακό προφίλ του εδάφους συναρτήσει

του χρόνου που μεσολάβησε από την φόρτωση του γεωεναλλάκτη, και με την παραδοχή ότι το φορτίο παραμένει σταθερό καθ΄ όλη την περίοδο λειτουργίας.

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσματα μιας αναλυτικής παραμετρικής μεθόδου υπολογισμού της μέγιστης δυνατής ενεργειακής απολαβής από κατακόρυφο γεωεναλλάκτη, ως συνάρτηση του χρόνου λειτουργίας, της θερμοκρασίας εισόδου και εξόδου του νερού και της θερμοκρασίας του εδάφους.

Σύμφωνα με τους Carslaw and Jaeger, το θερμοκρασιακό προφίλ που αναπτύσσεται γύρω από μια γραμμική πηγή σταθερής παροχής Q,

περιγράφεται από τη σχέση:

(7.1)

όπου L το μήκος του γεωεναλλάκτη, λg ο συντελεστής αγωγιμότητας του εδάφους, και Εi(x) το εκθετικό ολοκλήρωμα:

(7.2)

Με την παραδοχή ότι η θερμική διαχυτότητα είναι πρακτικά ίση με αυτή του εδάφους, η διάμετρος διάτρησης λαμβάνεται ίση με την εξωτερική διάμετρο της σωλήνωσης του γεωεναλλάκτη. Με αυτή την παραδοχή, το κάτω όριο του ολοκληρώματος 7.2 ισούται με:

(7.3)

Σε περίπτωση εναλλακτών με πολλαπλές διόδους νερού, σύμφωνα με τους Bose et al, ισχύει:

(7.4)

Με βάση τα παραπάνω, από την επίλυση της σχέσης 7.1 υπολογίζεται ο απαιτούμενος χρόνος ώστε η θερμοκρασία να φτάσει σε συγκεκριμένη τιμή, σε δεδομένη απόσταση από την πηγή.

Για δεδομένη παροχή νερού στο γεωεναλλάκτη και δεδομένη διαφορά θερμοκρασίας εισόδου/εξόδου μπορεί να προσδιοριστεί η θερμορροή από το έδαφος προς το νερό. Για τη μεταβολή της προφανώς θα πρέπει να μεταβληθεί η παροχή του

14

νερού, και η μεταβολή αυτή επηρεάζει τον συντελεστή συναγωγής στο εσωτερικό των σωλήνων του γεωεναλλάκτη. Η θερμορροή μηδενίζεται, ανεξάρτητα από την παροχή, όταν η θερμοκρασία στη διεπιφάνεια γεωεναλλάκτη/εδάφους εξισωθεί με τη θερμοκρασία του νερού. Από την επίλυση της εξίσωσης (7.1) ως προς το χρόνο για την θερμοκρασία αυτή μπορεί να προσδιοριστεί η χρονική διάρκεια της απολαβής ενέργειας Q από το γεωεναλλάκτη, με δεδομένη αρχική θερμοκρασία εδάφους.

Ο παραπάνω αλγόριθμος εφαρμόστηκε για διάφορες τιμές θερμοκρασίας εδάφους, και τα αντίστοιχα αποτελέσματα δίνονται στα σχήματα 9-13. οι θερμοφυσικές ιδιότητες του μέσου εδάφους και τα βασικά στοιχεία του γεωεναλλάκτη δίνονται στον πίνακα 7. [4]

Θερμική αγωγιμότητα εδάφους (W/mK)

1.4

Πυκνότητα εδάφους (kg m-3) 2000 Ειδική θερμοχωρητικότητα εδάφους

(J kg-1 K-1) 1400

Θερμική διαχυτότητα εδάφους (m2 h-

1) 0.0018

Αριμόυς Prandtl νερού a 9.443 Θερμική αγωγιμότητα νερού a( W/m

K) 0.58

Ιξώδες νερού (kg m-1 s-1) 0.0015 Ειδική θερμοχωρητικότητα νερούa

(kg-1 K-1) 4192

Θερμική αγωγιμότητα σωλήωνσης (W/mK)

0.4

Εσωτερική ακτίνα γεωεναλλάκτη (m)

0.017

Εξωτερική ακτίνα γεωεναλλάκτη (m)

0.020

Βάθος γεώτρησης (m) 80 Μήκος σωλήνωσης (m) 160

a 20Σε θερμοκρασία oCΠίνακας 7: Βασικές παράμετροι εδάφους -

γεωεναλλάκτη

Σχήμα 9: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την εσωτερική και εξωτερική

θερμοκρασία νερού – αρχική θερμοκρασία εδάφους 10oC

Σχήμα 10: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την εσωτερική και εξωτερική

θερμοκρασία νερού – αρχική θερμοκρασία εδάφους 15oC

Σχήμα 11: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την εσωτερική και εξωτερική

θερμοκρασία νερού – αρχική θερμοκρασία εδάφους 20oC

15

Σχήμα 12: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την εσωτερική και εξωτερική

θερμοκρασία νερού – αρχική θερμοκρασία εδάφους 25oC

Σχήμα 13: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την εσωτερική και εξωτερική

θερμοκρασία νερού – αρχική θερμοκρασία εδάφους 30oC

7.1. Συμπεράσματα

Το μέγιστο θερμικό φορτίο κατακόρυφου γεωεναλλάκτη εξαρτάται σημαντικά από την θερμοκρασία του εδάφους. Η αρχική θερμοκρασία που παρουσιάζει το έδαφος την στιγμή εκκίνησης του συστήματος επηρεάζει τόσο την δυνατότητα απολαβής θερμότητας από το έδαφος, όσο και την χρονική διάρκεια για την οποία η απολαβή αυτή είναι εφικτή. Επομένως κατά στον σχεδιασμό και διαστασιολόγηση κατακόρυφων γεωεναλλακτών, για την εκλογή του μέγιστου φορτίου αιχμής, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν τόσο η αρχική θερμοκρασία του εδάφους όσο και ο αναμενόμενος χρόνος συνεχούς λειτουργίας του συστήματος στην κατάσταση αυτή.

Σχήμα 14: Θερμικό φορτίο γεωεναλλάκτη συναρτήσει της διάρκειας παροχής φορτίου, με παράμετρο την αρχική θερμοκρασία του

εδάφους

Από την σύγκριση των παραπάνω αποτελεσμάτων (Σχήμα 14) φαίνεται πως ο σχεδιασμός συστημάτων γεωεναλλακτών σύμφωνα με την ASHRAE (50W/m) οδηγεί σε υπερδιαστασιολόγηση αυτών στα θερμά κλίματα της εύκρατης ζώνης όπου η θερμοκρασία του εδάφους είναι της τάξης των 20 – 30 oC, ενώ υποδιαστασιολογούνται τα συστήματα των βορειότερων περιοχών. [4]

16

8. Βιβλιογραφία

[1]. Μ. Φυτίκας, Ν. Ανδρίτσος, Ρ. Δρακούλης, Γεωθερμία και Τυποποίηση, Διήμερο Συμπόσιο για την Τυποποίηση, ΤΕΕ, 27-28 Νοεμβρίου, 2008, Αθήνα.

[2]. Μ. Βραχόπουλος, Ν. Φυτρολάκης, Ι. Κυρούσης, Ε.Δ. Κραββαρίτης, Εξοικονόμηση Ενέργειας με Εκμετάλλευσης Ομαλής Γεωθερμίας στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Διήμερο Συμπόσιο, Το Ε.Μ.Π στην Πρωτοπορία της Έρευνας και της Τεχνιλογίας, 3-4 Δεκεμβρίου, 2007, Αθήνα.

[3]. A. Michopoulos, D. Bozis, P. Kikidis, K. Pa-pakostas, N.A. Kyriakis, Three-years operation ex-perience of a ground source heat pump system in Northern Greece, Energy and Buildings 39 (2007) 328–334.

[4]. N. Kyriakis , A. Michopoulos, K. Pattas, On the maximum thermal load of ground heat exchang-ers, Energy and Buildings 38 (2006) 25–29.