«Εφαρμογές κανονικής Γεωθερμίας στον κλιματισμό των κτηρίων (χειμώναθέρος)» 10 Μάρτη

Transcript

1 «Εφαρμογές κανονικής Γεωθερμίας στον κλιματισμό των κτηρίων (χειμώναθέρος)» Μ. Γρ. Βραχόπουλος 1 Μάρτη 21 1

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΕΡΕΥΝΩΝ TEI ΧΑΛΚΙΔΑΣ (Ψύξης, Κλιματισμού και Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας) Μάρτης 21 Prof. Μ. Gr. Vrachopoulos 2

3 Γεωθερμική ενέργεια Με τον όρο «γεωθερμική ενέργεια» περιγράφεται η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης. Η ενέργεια αυτή φθάνει στην επιφάνεια της γης και στη συνέχεια ακτινοβολείται στο διάστημα, παράλληλα αποθηκεύεται και σε υπόγειους ή επιφανειακούς σχηματισμούς με τη μορφή θερμών ατμών, υπόγειων θερμών νερών καθώς και θερμών ξηρών πετρωμάτων.

4 Γεωθερμικά πεδία Ανάλογα με τη θερμοκρασία του υπεδάφους ή του ρευστού χωρίζονται σε: Υψηλής Ενθαλπίας. Όταν η θερμοκρασία των παραγόμενων ρευστών ξεπερνά τους 15 ο C. Τα ρευστά αυτά αποτελούνται στις περισσότερες περιπτώσεις από μίγμα υγρού ατμού και θερμού νερού. Μέσης Ενθαλπίας με θερμοκρασίες ρ ρευστών μεταξύ 15-9 ο C, και Χαμηλής Ενθαλπίας με θερμοκρασίες ρευστών μεταξύ 1-25 ο C Περιβαλλοντική (ή Πολύ Χαμηλής Ενθαλπίας με θερμοκρασίες αντίστοιχες των μέσων ετησίων του αέρα περιβάλλοντος συνήθως μικρότερες των 25 ο C, Κανονική, Ομαλή ή Αβαθής). Παγετός (ή Πάρα Πολύ Χαμηλής Ενθαλπίας με θερμοκρασίες μικρότερες των ο C ή Permafrost).

5 Χάρτης Θερμότερων και «ψυχρότερων» Χάρτης Θερμότερων και «ψυχρότερων» Γεωθερμικών Περιοχών

6 Γεωθερμία Σημαντικό πλεονέκτημα της «Γεωθερμίας» έναντι των λοιπών Α.Π.Ε. είναι η μόνιμη «παροχή» ενέργειας καθ όλο το έτος, χωρίς διακυμάνσεις και με μικρό λειτουργικό κόστος καθώς και η δυνατότητα πλήρους ανάκτησης και εκμετάλλευσης της υπάρχουσας υπεδαφικής θερμότητας. 6

7 . Συγκρινόμενη με άλλες εφαρμογές εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας η ηλεκτροπαραγωγή μέσω γεωθερμικών ρευστών παρουσιάζει σημαντικά μεγαλύτερο ετήσιο συντελεστή λειτουργίας τάξης,98 (98%) αντίθετα με τα αιολικά που έχουν συντελεστή,25 ~,3 και τα υδροηλεκτρικά με συντελεστή 4~55,4,55. Σε ετήσια απόδοση λοιπόν, ένα σύστημα «γεωθερμικής» ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 1, MW αντιστοιχεί με αιολικά της τάξης των 3,5 4, ΜW. 7

8 Γεωθερμία & Ελλάδα Η «γεωθερμία» είναι ένας ενεργειακός πόρος ο οποίος στην Ελλάδα, μέχρι την παρούσα χρονική περίοδο, δεν έχει προσελκύσει το επενδυτικό ενδιαφέρον. φρ Κανονική γεωθερμία Η μέση τιμή της γεωθερμικής βαθμίδας ανέρχεται σε 3K( ο C)/km ή 1K 1,K ανά 3 μέτρα. Κάθε αύξηση (ανωμαλία) στην τιμή της μέσης γεωθερμικής βαθμίδας μεταφράζεται ως αύξηση της ροής θερμότητας προς την επιφάνεια και βελτιώνει τις γεωθερμικές συνθήκες αποτελώντας γεωθερμικό πεδίο.

9 Γεωθερμία Σήμερα εκτός από την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλη ανάπτυξη παρουσιάζουν οι διατάξεις κανονικής γεωθερμίας για την κάλυψη θερμικών/ψυκτικών αναγκών κτηριακών εγκαταστάσεων. 9

10 Κανονική (ή Αβαθής) ) Γεωθερμία Η ενέργεια που συγκεντρώνεται μόνιμα ή εποχικά στις επιφανειακές λιθογραφικές μάζες και δεν παρουσιάζει τιμή θερμοκρασίας διαφορετική από την μέση ετήσια του αέρα της κάθε περιοχής

11 Τι προσφέρουν τα συστήματα GSHP (& ASHP) Θέρμανση Ψύξη Ζεστό νερό χρήσης Και έχουν Αποδοτικότητα Μειωμένη συντήρηση Μειωμένες ανάγκες χώρων Μικρό λειτουργικό κόστος Σταθερή απόδοση (ισχύ) Μειωμένα φορτία αιχμής για κλιματισμό 11

12 Τρόποι σύνδεσης με τη γη Κάθετες Πετρώδες έδαφος Αυξημένο κόστος Μικρή χρήση γης Υψηλή αποδοτικότητα Οριζόντια Μεγάλη χρήση γης Μειωμένο κόστος Μικρά Κτήρια Μεταβολή θερμοκρ. Υπόγειων Υδάτων Υδροφόρος ορίζοντας Μικρότερο κόστος Διατάξεις - Νόμοι Ρύπανση(εναλλακτών) 12

13 Παράγοντες έργου Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας Βέλτιστη οικονομικότητα όταν: Απαιτείται θέρμανση και ψύξη Μεγάλες εποχιακές αλλαγές θερμοκρασίας Νέα κατασκευή ή αλλαγή - αντικατάσταση συστημάτων Για θέρμανση μόνο: Χαμηλή τιμή ηλεκτρισμού και υψηλή τιμή πετρελαίου, αερίου Για ψύξη μόνο: Υψηλή τιμή ηλεκτρισμού και χρέωση αιχμής Διαθεσιμότητα σκαπτικού και διατρητικού εξοπλισμού Αβεβαιότητα β κόστους εγκατάστασης εναλλάκτη Κριτήρια οικονομικότητας ιδιοκτήτη

14 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Κατάργηση του πετρελαίου (μηδενικές εκπομπές CO 2 στο άμεσο περιβάλλον πραγματική συνολική μείωση 45~55%). Το 7 8% της ενέργειας παρέχεται από το περιβάλλον. Μείωση του κόστους λειτουργίας ~5% σε σχέση με συμβατικούς τρόπους θέρμανσης και ψύξης. Δεν απαιτείται δεξαμενή καυσίμων,, καμινάδα και καπνοδόχος. Αισθητική αναβάθμιση των κτηρίων (Απουσία αντιαισθητικών εγκαταστάσεων όπως ψύκτης, A/C κλπ) Ένα μηχάνημα για θέρμανση και ψύξη με μικρότερο κόστος συντήρησης. Αθόρυβη λειτουργία. Απουσία καύσεων και σπινθήρων (συνεπώς δεν απαιτείται πυροπροστασία). Απουσία οσμών καυσαερίων, οσμών από δεξαμενή πετρελαίου. Απουσία ανάγκης χώρου για δεξαμενή καυσίμου. 14 Δεν απαιτείται συντήρηση στους γεωεναλλάκτες, ενώ η αντλία θερμότητας χρειάζεται μακρόχρονο περιοδικό έλεγχο.

15 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Αρχικό κόστος κατασκευής Απαίτηση ύπαρξης ηλεκτρικής ενέργειας για λειτουργία. Ειδικός και ακριβής σχεδιασμός εγκαταστάσεων 15

16 Ανάλυση Είδους εγκαταστάσεων

17 Κάθετος Γεωθερμικός Εναλλάκτης (Vertical Earth Heat Exchanger VEHE) Θερμαντλία Νερού Νερού ή Ψυκτικού μέσου Κατανάλωση ηλ. ενέργειας Πρόσδοση θερμότητας στον ατμοποιητή Αποβολή θερμότητας από το συμπυκνωτή Κάθετος Γεωθερμικός Εναλλάκτης 17

18 Προσδιορισμός Συμπεριφοράς Κατακόρυφου Γεωθερμικού Εναλλάκτη Θερμότητας Έχει διαπιστωθεί ότι οι ατμοσφαιρικές συνθήκες επηρεάζουν τη θερμοκρασία σε μικρό σχετικά βάθος, συνήθως μέχρι τα 5 m ενώ έχουν μηδενική επίδραση κάτω των 31 m Η μεταβολή της θερμοκρασίας στα 2m βάθους από την επιφάνεια του εδάφους δε μεταβάλλεται περισσότερο ρ από ±2 C κατά τη διάρκεια του έτους. (Εξαρτάται βέβαια και από τις θερμοφυσικές ιδιότητες του υλικού του υπεδάφους). 18

19 Μαθηματική έκφραση θερμορροής σε VEHE q o (t) T(t,) ter(t) T in, wa,, T out, water(t) h o, T o (t) I(t) () -L A Ε x L x y x z Θερμότητα αγωγής υπεδάφους (θέση z=l z ) q geo t,x,y,l yl z k J Tj 1 t,x,y,z j1 Tj t,x,y,l z kj L J 3,3 L J Θερμότητα συναγωγής & ακτινοβολίας στην επιφάνεια It t,x,y, h T t T t,x,y, q j L z =73m L=6m Vertical Heat Exchanger Θερμότητα συναγωγής νερού q t,z h T t T t,z f f j Απορροφούμενη θερμότητα εναλλάκτη h f,t f Q t n L z q t z Q, dz n 2 or 4 σωλήνες A q geo T(t,L) Ε 19

20 Θερμοκρασιακή Κατανομή Εδάφους Ισοθερμοκρασιακές καμπύλες Μήνας: Απρίλιος T in, water =17, C C m m =,3kg/s D=28 mm d=22 mm 8 Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου , 19, 18, 8 Ημέρα 1 η 5 Ημέρα 5 η Ημέρα 1 η 19 9, 18 8, , Ημέρα 2 η 18, ,2 19,4 19, Βάθος πεδίου 19,2 19,4 19, Βάθος πεδίου 19,2 19,4 19, Βάθος πε εδίου 19,2 19,4 19, Βάθος πεδίου 19,8 4 19,8 4 19,8 4 19,8 4 2, , , , ,2 55 2,2 55 2,2 55 2, ,4 65 2, , , ,6 2,6 2,6 2, T out,water = 18,667 C T out,water = 18,962 C T out,water = 17,865 C T out,water = 17,6625 C *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου. 2

21 Μήνας: Ιούλιος T in, water =3, C m =,3 kg/s D=28 mm d=22 mm 8 Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου Μήκος πεδίου Ημέρα 1 η 5 1 Ημέρα 5 η 5 1 Ημέρα 1 η 5 1 Ημέρα 2 η ,2 2 19,2 2 19,2 2 19,2 2 19,4 19, Βάθος πε εδίου 19,4 19, Βάθος πε εδίου 19,4 19, Βάθος πε εδίου 19,4 19, Βάθος πε εδίου 19,8 4 19,8 4 19,8 4 19, , 5 2, 5 2, 5 2, 5 2,2 55 2,2 55 2,2 55 2,2 55 2, , , , ,6 7 2,6 7 2,6 7 2,6 7 T out,water = 23,444 C T out,water = 25,4931 C T out,water = 26,4457 C T out,water = 27,2813 C 21

22 ρμικού εωθερ η ος Γε λάκτη αμμα α Ισχύ Εναλλ Διάγρ Ισχύς (k kwatt) 2,4 2,2 1,6 Μήνας: Ιούλιος D=28 mm d=22 mm βάθος 6m (1) :Twater(in)=18,7 C, Mwater=,25 kg (2) (1): :Twater(in)=17, C, T Mwater=,3 kg (3) :Twater(in)=17,4 C, in, =18,7 C, m=,25 kg/s Mwater=,238 kg (4) (2): :Twater(in)=17,7 C, T Mwater=,3 kg :Αντίστοιχες in, water =17, C, m=,25 kg/s πειραματικές τιμές 2 2, α (3): T in, water =17,4 C, m=,238 kg/s (4): T in, water =17,7 C, m=,3 kg/s 1,8. : Πειραματικές τιμές 1,4 1,2 1,,8,6,4 2,2, β (1) (4) Χρόνος λειτουργίας (hours) (3) (2) Συνεχής λειτουργία 6μ εναλλάκτης

23 Οριζόντιος Γεωθερμικός Εναλλάκτης (Horizontal Earth Heat Exchanger HEHE)

24 Προσδιορισμός Συμπεριφοράς Οριζόντιου Γεωθερμικού Εναλλάκτη Θερμότητας q Θερμότητα αγωγής υπεδάφους κατά x (θέση z=l z ) geo kj T t, L, y, z x t, x, L, z T t, L, L, z j1 j1 y L J j Θερμότητα συναγωγής & ακτινοβολίας στην επιφάνεια έντονη η παρουσία για μικρά βάθη. x y q It t x, y, h T tt t, x, y,, q j Θερμότητα συναγωγής νερού t, x h T tt t x f f j, Απορροφούμενη θερμότητα εναλλάκτη L x q t, x Q t dx 24

25 Μέγιστες και ελάχιστες θερμοκρασίες αέρα και επιφανειακού υπεδάφους* ΒΑΘΟΣ ΜΕΓΙΣΤΗ ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΗΜΕΡ. ΘΕΡΜ. ΘΕΡΜ. ΗΜΕΡ. Αέρας 4,2 o C 6η/7ου 6 o C 26η /1ου,6μ 29,24 o C 17η /7ου 16,94 o C 16η /1ου 24 o 17,94 o C 1μ 28,24 C 27η /7ου 24η /1ου 2μ 26,38 o C 22η /8ου 3μ 25,2 οc 17η /9ου 4μ 24,4444 o C 13η/1ου 5μ 23,95 o C 12η/11ου 19,72 o C 2,98 o C 21,74 o C 23,23 o C 22η /2ου 19η/3ου 14η /4ου 1η/5ου *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% 25

26 Η ετήσια μεταβολή θερμοκρασίας εισόδου στον εναλλάκτη εδάφους σαν συνάρτηση του βάθους. 4, 35,,6μ 3, 1μ TEMPERATU URE 25, 2, 15, 2μμ 3μ 1, 4μ 5, 5μ, *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% DAYS Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου. 26

27 1 ο Συμπέρασμα Η αναπτυσσόμενη χρονική υστέρηση ημερών συνεπάγεται σημαντική υποβοήθηση στα εποχικά φορτία. Απόδοση περί τα 15W/m Μήκους ή 25W/m βάθους 27

28 Μεταβολή της θερμοκρασίας του υπεδάφους για διαταραγμένο πεδίο

29 Μεταβολή της θερμοκρασίας του υπεδάφους για διαταραγμένο και αδιατάρακτο πεδίο, κατά βάθος MEAN TEMEP PERATURE 23,24 23,22 23,2 23,18 23,16 23,14 23,12 23,1 23,8 ΑΔΙΑΤΑΡΑΧΤΟ ΠΕΔΙΟ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 1η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 2η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 3η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 4η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 5η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 23, DEPTH *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου. 29

30 Περιοδική θέρμανση εδάφους Η μέση τιμή της θερμοκρασίας του εδάφους κατά βάθος αυξάνεται από το 1 ο έως το 5 ο έτος λειτουργίας της κλιματιστικής εγκατάστασης από 23,2 σε 23,24 ο C δηλαδή,4κ. Κατά τους χειμερινούς μήνες παρατηρείται μικρή μείωση της θερμοκρασίας κατά βάθος λόγω της απορρόφησης θερμότητας από το έδαφος μέσω της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας κατά 1,77 Κ ( ο C), ενώ κατά τους θερινούς μήνες παρουσιάζεται μικρή αύξηση η της θερμοκρασίας ρ κατά 1,8 Κ ( ο C) κατά βάθος λόγω αποβολής θερμότητας προς το έδαφος. 3

31 Ετήσια μεταβολή COP με παράμετρο το βάθος τοποθέτησης οριζοντίου εναλλάκτη 6 6,,6μ 5, 1μ 4, COP 3, 2μ 3μ 2, 4μ 1, 5μ, DAYS *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% 31 Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου.

32 Σύγκριση κόστους λειτουργίας κανονικής γεωθερμίας και εγκαταστάσεων αέρα* ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βάθος (m) /m 2 /έτος - %,6 22,12 22,4% 1 21,59 24,3% 2 2,31 28,8% 3 19,33 32,2% 4 18,73 34,2% 5 18,43 35,4% ΑΕΡΑΣ 28,52 % *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου.

33 2 ο Συμπέρασμα Εφόσον οι θερμοκρασίες του εδάφους κυμαίνονται από ο C σε όλη τη διάρκεια του έτους από,6-5m. Οι τιμές του COP κυμαίνονται μεταξύ του 3,2-5,5 για όλες τις εποχές, χειμώνα και θέρος αντίστοιχα και η μέση ετήσια τιμή κοντά στο 4,5~4,8. Το ποσοστό μείωσης του λειτουργικού κόστους, 22-32%, σε σχέση με το ποσοστό αύξησης του αρχικού κόστους της εγκατάστασης κατά 27-3%, αποσβένεται σε διάστημα περί από 3~1 έτη *Υλικά υπεδάφους με k=1,w/mk, c=8kj/kgk, ρ=2kg/m 3 υγρασία ~25% Χωρίς την επίδραση της θερμικής διάχυσης απείρου. 33

34 Κύρια στοιχεία για σχεδιασμό Χαρακτηριστικά μεγέθη υλικών υπεδάφους Θερμική αγωγιμότητα k [W/mK], Ειδική Θερμότητα c [kj/kgk], Πυκνότητα ρ [kg/m 3 ] Υγρασία [%] 34

35 Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας! Prof. Μ. Gr. Vrachopoulos

36 ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ- ΥΔΡΟΨΥΚΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ - ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ Η οικονομοτεχνική ανάλυση που ακολουθεί, συγκρίνει την ενεργειακή απόδοση μεταξύ του προτεινόμενου συστήματος Κλιματισμού (Γεωθερμικό - Υδρόψυκτο Heat Pump) και του συμβατικού συστήματος (Αερόψυκτο Chiller & Λέβητας Diesel). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση συνοψίζονται στα ακόλουθα : Δεδομένα Κτηρίου : Επιφάνεια : ~4m² Ψυκτικό Φορτίο Κτηρίου : 4, kw th Θερμικό Φορτίο Κτηρίου : 35, kw th Μήνες Λειτουργίας : Ιανουάριος Δεκέμβριος Ημέρες Λειτουργίας : Δευτέρα Παρασκευή Ώρες Λειτουργίας : 6: 18: Κόστος Ηλεκτρικής Ενέργειας :,9 /kwh el Κόστος Diesel :,6 /lt COP Γεωθερμικού H/P (+συντήρηση) : 4.2 COP Αερόψυκτου H/P (+συντήρηση) : 2.5 Βαθμός απόδοσης Λέβητα : 85% Θερμοκρασία αναφοράς Ψύξης :25 C Θερμοκρασία αναφοράς Θέρμανσης :18 C 36

37 Residential Annual cooling & heating load variation (kwhth) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Months RESIDENTIAL Cooling RESIDENTIAL Heating 37

38 Retail Annual cooling & heating load variation (kwhth h) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Months RETAIL Cooling RETAIL Heating 38

39 Εγκαταστάσεις 39

40 Εγκαταστάσεις 4

41 41

42 Πρόταση κτηρίου ΤΕΕ Συνθήκες λειτουργίας: Ηγουμενίτσα ζώνη Β 16ΒΗΘ 1ΒΗΨ 42

43 Πρόταση κτηρίου ΕΕΒΕΑΘ Cooling Heating DHW Cooling Heating DHW kwh kwh kwh kwh kwh kwh Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Δαπανώμενη Ενέργεια (kwh) Μερικό Ετήσιο Κόστος ( ) Συνολικό Ετήσιο Κόστος ( )

44 Πρόταση κτηρίου ΕΕΒΕΑΘ Για κατακόρυφες κλειστού τύπου γεωτρήσεις απαιτούνται περί τα 3μ ο χώρος μπορεί να παραλάβει περί τα 5μ Συνεπώς μερική κάλυψη της ισχύος 17% Κάλυψη φορτίου περί το 28~32% και ετήσιο όφελος περί τα 4.5 Για ανοικτού τύπου γεωτρήσεις παροχή ~3m 3 /h - πρόβλημα με αδειοδότηση αλλά Πλήρης κάλυψη της ισχύος και ετήσιο όφελος περί τα