ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΜΕ ΑΒΑΘΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΦΙΡΦΙΡΗΣ Κ.ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός Πολυτεχνικής Σχολής, Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Γ.ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ Θεσσαλονίκη 2013

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΜΕ ΑΒΑΘΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΦΙΡΦΙΡΗΣ Κ.ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός Πολυτεχνικής Σχολής, Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Γ.ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Γ.ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ, Ομότιμος Καθηγητής Γεωπονικής Σχολής,Α.Π.Θ Χ.ΝΙΚΗΤΑ ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΥ, Καθηγήτρια Γεωπονικής Σχολής, Α.Π.Θ. Β. ΦΡΑΓΚΟΣ, Λέκτορας Γεωπονικής Σχολής, Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη 2013 [i]

3 [ii]

4 Δήλωση Δηλώνω ότι είμαι ο συγγραφέας της παρούσας εργασίας με τίτλο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΜΕ ΑΒΑΘΗ ΓΩΘΕΡΜΙΑ που συντάχθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων και παραδόθηκε το μήνα Φεβρουάριο Η αναφερόμενη εργασία δεν αποτελεί αντιγραφή ούτε προέρχεται από ανάθεση σε τρίτους. Οι πηγές που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται σαφώς στη βιβλιογραφία και στο κείμενο ενώ κάθε εξωτερική βοήθεια, αν υπήρξε, αναγνωρίζεται ρητά. Όνομα : Φιρφιρής Βασίλειος Ημερομηνία : 20/08/2012 [iii]

5 [iv]

6 Πρόλογος Η καλλιέργεια φυτών σε θερμοκήπια αποτελεί μία διαδεδομένη πρακτική, στο χώρο της γεωργίας, εδώ και πολλές δεκαετίες. Τόσο στην Ελλάδα όσο και σε πάρα πολλές χώρες παγκοσμίως είναι επιβεβλημένη η παραγωγή αγροτικών προϊόντων σε μεγάλες ποσότητες για την κάλυψη των αναγκών του ολοένα αυξανόμενου πληθυσμού. Η χρήση των θερμοκηπίων υπερτερεί στο ότι μπορεί να παραχθεί το προϊόν εκτός εποχής και σε μεγάλο βαθμό με ελεγχόμενες συνθήκες- γεγονός που οδηγεί σε προγραμματισμένη παραγωγή τόσο σε ποσότητα όσο και ποιότητα. Στην Ελλάδα, οι κλιματολογικές συνθήκες ευνοούν την ανάπτυξη θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Η ηλιοφάνεια για μεγάλο χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του έτους, βοηθάει στην ανάπτυξη των φυτών στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Η θερμότητα που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου- λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας - δεν επαρκεί πάντα για τη θέρμανση του χώρου, ειδικά κατά τη χειμερινή περίοδο που είναι περιορισμένη. Συνεπώς απαιτούνται βοηθητικά συστήματα θέρμανσης του εσωτερικού χώρου του θερμοκηπίου. Η θέρμανση των θερμοκηπίων μπορεί να πραγματοποιηθεί με συμβατικά και μη συμβατικά συστήματα. Μία μορφή ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση των θερμοκηπίων είναι η γεωθερμική. Υπάρχει η γεωθερμία που εντοπίζεται σε μεγάλα και μεσαία βάθη και φέρεται από κάποιο ρευστό το οποίο βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία (θερμό νερό ή υπέρθερμος ατμός). Η αξιοποίηση των γεωθερμικών αυτών πεδίων απαιτεί γεώτρηση και έγκριση από το κράτος. Μία διαδεδομένη χρήση της γεωθερμίας, κυρίως σε κτίρια κατοικιών μέχρι σήμερα είναι η αβαθής γεωθερμία, όπου αξιοποιεί τη σταθερή θερμοκρασία του εδάφους σε μικρά βάθη. Η εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνολογίας σε θερμοκήπια μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη καθώς με το ίδιο σύστημα επιτυγχάνεται θέρμανση αλλά και δροσισμός, κάτι που μπορεί να αποδειχθεί απαραίτητο κυρίως σε περιοχές με θερμά κλίματα αλλά και για την επέκταση της καλλιεργητικής περιόδου σε ήπια κλίματα. Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας αξιοποιούν τη σταθερή θερμοκρασία του εδάφους σε πολύ χαμηλά βάθη. Ουσιαστικά αποτελούν μία πρακτική εφαρμογή του κύκλου συμπίεσης ατμού. Ο κύκλος συμπίεσης ατμού αποτελείται από τέσσερα εξαρτήματα-τον συμπιεστή, τον συμπυκνωτή, την βαλβίδα εκτόνωσης και τον εξατμιστήρα. Για τη λειτουργία του κύκλου απαιτείται ένα ρευστό το οποίο στην προκειμένη περίπτωση ονομάζεται ψυκτικό. Η θερμοκρασία του εδάφους μεταφέρεται στο ψυκτικό μέσο με τη βοήθεια μιας διάταξης σωλήνων που τοποθετείται μέσα στο έδαφος και ονομάζεται γεωεναλλάκτης και στο εσωτερικό του κυκλοφορεί νερό. Σκοπός του γεωεναλλάκτη είναι να αποκτήσει το νερό τη θερμοκρασία του εδάφους. Στη συνέχεια πραγματοποιείται εναλλαγή θερμότητας μεταξύ του γεωεναλλάκτη και του κυκλώματος της αντλίας στο οποίο κυκλοφορεί το ψυκτικό μέσο και εξατμίζεται στη συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η εκμετάλλευση της αποθηκευμένης στο έδαφος θερμότητας, έχει ως αποτέλεσμα η συνολική [v]

7 κατανάλωση ενέργειας του συστήματος να περιορίζεται στη χρήση ηλεκτρισμού στο συμπιεστή για τη συμπίεση του ψυκτικού μέσου. Στην παρούσα διατριβή που εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών στον Τομέα Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ, μελετήθηκε η κατασκευή ενός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας για τη θέρμανση θερμοκηπίου. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις του αγροκτήματος της Γεωπονικής Σχολής περιλαμβάνοντας τη διαστασιολόγηση των επιμέρους συσκευών-διατάξεων (γεωεναλλάκτη, αντλία θερμότητας, συμπληρωματικός εξοπλισμός). Επιπλέον εξετάστηκε η βελτίωση της απόδοσης του συστήματος ανάλογα με το βάθος τοποθέτησης του γεωεναλλάκτη καθώς και η συνεισφορά βοηθητικών διατάξεων στην θερμική συμπεριφορά του εδάφους. Τέλος αξιολογείται το σύστημα ως προς την οικονομική του βιωσιμότητα καθώς και τη συνεισφορά του στην προστασία του περιβάλλοντος. Στην εργασία γίνεται και μία επισκόπηση της χρήσης όλων των κατηγοριών της γεωθερμίας παγκοσμίως δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στις αγροτικές εφαρμογές. [vi]

8 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέπων καθηγητή της εργασίας μου Ομότιμο Καθηγητή Κ. Γεράσιμο Μαρτζόπουλο για την καθοδήγηση καθ όλη τη χρονική διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών αλλά και για τη διαμόρφωση του θέματος της διατριβής και την πολύτιμη βοήθεια για την ολοκλήρωσή της. Την Καθηγήτρια Κ. Χρυσούλα-Νικήτα Μαρτζοπούλου για τις χρήσιμες συμβουλές σε ειδικά θέματα της διατριβής. Τον Κ. Βασίλειο Φράγκο για τις συμβουλές σε θέματα που αφορούσαν το κείμενο και γενικότερα την οργάνωση της διατριβής. Τον Διδάκτορα της Γεωπονικής σχολής Κ. Παναγιώτη Κούγια για την καθοδήγηση στο πειραματικό κομμάτι, τη βοήθεια οργάνωσης της πειραματικής διάταξης και τις συμβουλές που αφορούσαν στη διαμόρφωση του κειμένου. Τον Διδάκτορα της Γεωπονικής σχολής Κ. Γεώργιο Ντίνα για τη βοήθεια στα πειράματα και τις συμβουλές πάνω σε θέματα οργάνωσης της διατριβής. Την εταιρία «ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ», για την παροχή της απαραίτητης υλικοτεχνικής υποδομής ώστε να στηθεί η πειραματική διαδικασία. Το τεχνικό προσωπικό του αγροκτήματος της Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ, για τις εργασίες που εκτέλεσε και συνετέλεσαν στην ολοκλήρωση των πειραμάτων. Την εταιρία «Technotec», για τις συμβουλές και τις πληροφορίες πάνω σε οικονομικοτεχνικά ζητήματα που προέκυψαν στην πορεία της εργασίας. Όλους όσους βοήθησαν για την ολοκλήρωση των πειραμάτων και όλης της ερευνητικής διαδικασίας καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την στήριξη σε όλη τη διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών σε εποχές δύσκολες. Τέλος θα ήθελα να αφιερώσω αυτή τη δουλειά στη μητέρα μου που μ έμαθε να γράφω και να διαβάζω. [vii]

9 [viii]

10 Κατάλογος εικόνων Εικόνα Α1 Ανεμογεννήτριες σε καλλιέργεια για ηλεκτροπαραγωγή 2 Εικόνα Α2 : Άντληση νερού με τη βοήθεια του ανέμου 3 Εικόνα Α3 Pellets 4 Εικόνα Α4 Αναπαράσταση παραγωγής βιοκαυσίμων και χρήσεις 4 Εικόνα Α5 Κατανομή αγροτικών εφαρμογών με τη χρήση γεωθερμίας στην Ευρώπη. 6 Εικόνα Α6 Μονάδα ηλεκτροπαραγωγής στην Ισλανδία με την αξιοποίηση γεωθερμικού πεδίου. 10 Εικόνα Α7 Χάρτης κατανομής γεωθερμικών πεδίων στην Ευρώπη σε βάθος 5 χιλιομέτρων. 17 Εικόνα Α8 Χάρτης κατανομής γεωθερμικών πεδίων ΗΠΑ σε βάθος 6 χιλιομέτρων 17 Εικόνα Α9 Γεωθερμική αντλία θερμότητας.. 20 Εικόνα Α10 Θερμοκήπιο στο Κολοράντο των ΗΠΑ θερμαινόμενο με γεωθερμική ενέργεια Εικόνα Α11 Θερμοκήπια στo Αϊντάχο των ΗΠΑ που θερμαίνονται με γεωθερμική ενέργεια Εικόνα Α12 Θερμά Λουτρά στην Ισλανδία 24 Εικόνα Α13 Κατανομή γεωθερμικών πεδίων στην ελληνική επικράτεια.. 26 Εικόνα Α14 Διαδικασία αποξήρανσης για κρεμμύδια και σκόρδα στη Νεβάδα των ΗΠΑ με τη χρήση γεωθερμικού πεδίου. 31 Εικόνα Α15 Σύστημα μεταφοράς τομάτας στο ξηραντήριο.. 33 Εικόνα Α16 Γεωθερμική μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας ΗΠΑ Εικόνα Α17 Αλιγάτορες σε εκτροφείο στις ΗΠΑ θερμαινόμενο με γεωθερμική ενέργεια Εικόνα Α18 Ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου 50 Εικόνα Α19 Επιδαπέδιο σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου.. 50 Εικόνα Α20 Παραλλαγή επιδαπέδιου συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου 51 Εικόνα Α21 Σύστημα θέρμανσης με τοποθέτηση σωλήνων κάτω από πάγκους Εικόνα Α22 Σύστημα διανομής με τοποθέτηση σωλήνων στην οροφή. 52 Εικόνα Α23 Σύστημα διανομής με τοποθέτηση σωλήνων πλευρικά. 52 Εικόνα Α24 Σύστημα διανομής θερμού αέρα στο εσωτερικό θερμοκηπίου με σακούλα πολυαιθυλενίου.. 54 Εικόνα Α25 Σύστημα δροσισμού με υγρή παρειά.. 58 Εικόνα Α26 Σύστημα δροσισμού με υδρονέφωση. 59 Εικόνα Α27 Γεωθερμικό θερμοκήπιο στο Νέο Μεξικό στις ΗΠΑ.. 62 Εικόνα Α28 Θερμοκηπιακή μοναδα Mason Springs ΗΠΑ 63 Εικόνα Α29 Εναλλάκτης θερμότητας αξιοποίησης γεωθερμικού ρευστού 64 Εικόνα Α30 Δεξαμενή αποθήκευσης αντλούμενου γεωθερμικού ρευστού Εικόνα Α31 Γεωθερμικό θερμοκήπιο στην Ουγγαρία 65 Εικόνα Α32 Χαμηλά σκέπαστρα στην Ουγγαρία που θερμαίνονται από γεωθερμικό σύστημα θέρμανσης 67 Εικόνα Α33 Γυάλινα θερμοκήπια στην Ισλανδία θερμαινόμενα με γεωθερμική ενέργεια ΕικόναΑ34 Γυάλινα θερμοκήπια στην Ιαπωνία θερμαινόμενα με γεωθερμική ενέργεια.. 69 Εικόνα Α35 Εσωτερικό γυάλινου γεωθερμικού θερμοκηπίου στην Ιαπωνία 69 Εικόνα Α36 Συγκρότημα υαλόφρακτων γεωθερμικών θερμοκηπίων στη Νιγρίτα Εικόνα Α37 Διατάξεις γεωεναλλακτών.. 80 Εικόνα Α38 Αισθητήρες για τη μέτρηση θερμοκρασίας εδάφους. 105 Εικόνα Α39 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης-τοποθέτηση σε τάφρο. 113 [ix]

11 Εικόνα Α40 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης τοποθέτηση σε αυλάκι. 114 Εικόνα Α41 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης-κάθετη τοποθέτηση σε αυλάκι ΕικόναΑ42 Εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας στο κτίριο του Οργανισμού ΑΠΕ της Ε.Ε στο Βέλγιο Εικόνα Α43 Γεωεναλλακτης συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με αξιοποίηση του βρόχινου νερού Εικόνα Α44 Μονάδα ιχθουκαλλιέργειας θερμαινόμενη με σύστημα αβαθούς γεωθερμίας στις ΗΠΑ. 126 Εικόνα Α45 Θερμοκήπια ανθοπαραγωγής υποστηριζόμενα από σύστημα αβαθούς γεωθερμίας στον Καναδά 127 Εικόνα Α44 Σύστημα θέρμανσης αβαθούς γεωθερμίας σε καλλιέργεια χαμηλών σκέπαστρων λευκών σπαραγγιών στην Καβάλα Εικόνα Β1 Χωματουργικές εργασίες για τη διάνοιξη τάφρου στο αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ στις εγκαταστάσεις του ΚΕΓΚ με σκοπό την εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας. 135 Εικόνα Β2 Οριζόντιος γεωεναλλάκτης σπειροειδούς διάταξης στο αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ στις εγκαταστάσεις του ΚΕΓΚ με σκοπό την εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας. 135 [x]

12 Κατάλογος πινάκων Πίνακας Α1 Απαιτούμενη θερμοκρασία θερμού νερού για αγροτικές εφαρμογές.. 5 Πίνακας Α2 Εγκαταστημένη ισχύς και χρήση γεωθερμικής ενέργειας ανά αγροτική εφαρμογή παγκοσμίως για την περίοδο Πίνακας Α3 Γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα Πίνακας Α4 Θερμοκήπια θερμαινόμενα με γεωθερμία μέχρι το 2000 στην Ελλάδα 70 Πίνακας Α5 Θερμικές ιδιότητες για διάφορους τύπους εδάφους.. 78 Πίνακας Α6 Θερμοκρασία διανομής νερού ανάλογα με το σύστημα διανομής Πίνακας Β1 Πίνακας υπολογισμού συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας Πίνακας Β2 Μετεωρολογικά δεδομένα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. 137 Πίνακας B3 Δεδομένα θερμοκηπίου Πίνακας Β4 Χαρακτηριστικά μεγέθη διαφορετικών τύπων εδάφους. 139 Πίνακας Β5 Υπολογισμός μεγεθών για τη διαστασιολόγηση του γεωεναλλάκτη. 141 Πίνακας Β6 Ποσοστό συμμετοχής των αναγραφέντων πηγών για ηλετροπαραγωγή στην Ελλάδα. 146 Πίνακας Β7 Εκπομπή CO 2 ανά μονάδα ενέργειας 146 Πίνακας Β8 Εκπομπή gco 2 /kwh για τα αναγραφέντα καύσιμα Πίνακας Β9 Συστήματα προς εξέταση και ενεργειακή τους περιγραφή (Βαθμός απόδοσης, καταναλισκόμενη ισχύς, ώρες λειτουργίας και καταναλισκόμενη ενέργεια) Πίνακας Β10 Εκπομπή CO 2 ανά εξεταζόμενο σύστημα Πίνακας Β11 Στοιχεία κόστους παραλλαγών συστημάτων θέρμανσης. 149 Πίνακας Β12 Κόστος καυσίμων και συνολικό λειτουργικό κόστος. 150 Πίνακας Β13 Χρόνος αποπληρωμής επένδυσης στην περίπτωση αντικατάστασης των αναγραφέντων συστημάτων από σύστημα αβαθούς γεωθερμίας Πίνακας Β14 Χρηματορροές 5ετίας για τα εξεταζόμενα συστήματα θέρμανσης. 152 Πίνακας Β15 Υπολογισμός καθαράς παρούσας αξίας ανά σύστημα και σκοπιμότητα επένδυσης 153 Πίνακας Β16 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/08/ /09/ Πίνακας Β17 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/09/ /10/ Πίνακας Β18 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/10/ /11/ Πίνακας Β19 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/11/ /12/ Πίνακας Β20 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/01/ /03/ Πίνακας Β21 Μέσοι μηνιαίοι όροι θερμοκρασιών σε κάθε αισθητήρα. 165 [xi]

13 Πίνακας Β22 Μέσος όρος θερμοκρασιών σε όλες τις τοποθετήσεις για τους 5 μήνες πειραματικών μετρήσεων Πίνακας B23 COP υπό διαφορετικές καλύψεις και σε διαφορετικά βάθη. 167 Πίνακας Β24 Μέσος όρος θερμοκρασιών ανά αισθητήρα και αντίστοιχος COP για τους χειμερινούς μήνες (πραγματική περίοδος θέρμανσης) Πίνακας Π1 Υπολογισμός συνολικής επιφάνειας υλικού κάλυψης Πίνακας Π2 Υπολογισμός όγκου θερμοκηπίου Πίνακας Π3 Τεχνικά χαρακτηριστικά αντλίας θερμότητας Πίνακας Π4 Τεχνικά χαρακτηριστικά Wilo Top-S 25/ Πίνακας Π5 Τεχνικά χαρακτηριστικά και κόστος λέβητα-καυστήρα pellet. 184 Πίνακας.Π6 Τεχνικά χαρακτηριστικά σόμπας pellet. 185 Πίνακας Π7 Τεχνικά χαρακτηριστικά λέβητα αερίου 187 [xii]

14 Κατάλογος σχημάτων Σχήμα Α1 Αρχή λειτουργίας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής υποστηριζόμενης από γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας Σχήμα Α2 Τάση της χρήσης και εγκατεστημένης ισχύος γεωθερμικής ενέργειας την περίοδο Σχήμα Α3 Χρήση της γεωθερμίας ανά κατηγορία αγροτικών εφαρμογών την περίοδο Σχήμα Α4 Αρχή λειτουργίας αντλίας θερμότητας Σχήμα Α5 Αρχή λειτουργίας συστήματος αποξήρανσης ντομάτας στην περιοχή της Ξάνθης Σχήμα Α6 Αρχή λειτουργίας μονάδας παστερίωσης γάλακτος στις ΗΠΑ.. 34 Σχήμα Α7 Γεωθερμικό ξηραντήριο ψαριών στην Ισλανδία.. 35 Σχήμα Α8 Μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό θερμοκηπίου Σχήμα Α9 Σύστημα διανομής με σωλήνες πολυαιθυλενίου λεπτού φίλμ Σχήμα Α10 Σύστημα υβριδικού συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου με χρήση πετρωμάτων και ηλιακής ενέργειας.. 55 Σχήμα Α11 Σύστημα δροσισμού με την αξιοποίηση θαλασσινού νερού.. 60 Σχήμα Α12 Αρχή λειτουργίας συστήματος θέρμανσης χαμηλών σκέπαστρων με γεωθερμία στην Ουγγαρία Σχήμα Α13 Σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου με τη βοήθεια εναλλάκτη θερμότητας Σχήμα Α14 Σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία στη Νιγρίτα Σερρών Σχήμα Α15 Διακύμανση της θερμοκρασίας σε διάφορα βάθη καθ όλη τη διάρκεια του έτους Σχήμα Α16 Αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας.. 81 Σχήμα Α17 Διεργασίες αντλίας θερμότητας και παράσταση σε διάγραμμα Τ-S Σχήμα Α18 Παράσταση του κύκλου εξάτμισης- συμπύκνωσης ατμών σε διάγραμμα Ρ- h. 83 Σχήμα Α19 Μεταβολή του COP συναρτήσει της θερμοκρασίας της θερμοπηγής Σχήμα Α20 Σχηματικά αναπαράσταση συστήματος αντλίας θερμότητας Σχήμα Α21 Σύστημα γεωεναλλαγής ανοιχτού βρόχου Σχήμα Α22 Οριζόντια συστήματα γεωεναλλαγής κλειστού τύπου Σχήμα Α23 Οριζόντιο σύστημα γεωεναλλαγής κλειστού βρόχου σπειροειδούς διάταξης Σχήμα Α24 Τυπικές τοποθετήσεις σωληνώσεων οριζόντιου γεωεναλλάκτη Σχήμα Α25 Σύστημα κατακόρυφης τοποθέτησης γεωεναλλακτών Σχήμα Α26 Θερμοκρασιακά επίπεδα σε βάθος 30 ποδιών στις ΗΠΑ Σχήμα Α27 Υβριδικό σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου με αβαθή γεωθερμία και ηλιακούς συλλέκτες. 113 [xiii]

15 Σχήμα Α27 Αρχή λειτουργίας συστήματος αβαθούς γεωθερμίας στο κτίριο του Οργανισμού ΑΠΕ της Ε.Ε στο Βέλγιο. 119 Σχήμα A28 Αρχή λειτουργίας υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας και ηλιακής ενέργειας στο πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ Σχήμα Α29 Αρχή λειτουργίας υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με αξιοποίηση του βρόχινου νερού Σχήμα Α30 Υβριδικό σύστημα θέρμανσης αβαθούς γεωθερμίας με τη συνδρομή ηλιακών συλλεκτών. 122 Σχήμα Α31 Πειραματικό σύστημα αβαθούς γεωθερμίας με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στην απόδοση του συστήματος Σχήμα Β1. Τομή πειραματική διάταξης Σχήμα Β2 Μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες αέρα και εδάφους σε βάθος 150 cm Σχήμα Β3 Διάγραμμα συσχέτισης απωλειών πίεσης- αλλαγής κατεύθυνσης σωλήνα Σχήμα Β4 Διάγραμμα μανομετρικού-παροχής για την επιλογή κυκλοφορητή Σχήμα Β5 Κάτοψη διάταξης αισθητήρων και αρίθμηση Σχήμα Β6 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Σεπ) 156 Σχήμα Β7 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Σεπ) 156 Σχήμα Β8 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Σεπ) 156 Σχήμα Β9 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Οκτ) Σχήμα Β10 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Οκτ) Σχήμα Β11 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Οκτ) Σχήμα Β12 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Νοε) Σχήμα Β13 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Νοε) Σχήμα Β14 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Νοε) Σχήμα Β15 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Δεκ) Σχήμα Β16 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Δεκ) Σχήμα Β17 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Δεκ) Σχήμα Β18 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Φεβ) Σχήμα Β19 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Φεβ) Σχήμα Β20 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Φεβ) Σχήμα Β21. Γραφική απεικόνιση μέσου όρου θερμοκρασιών σε όλες τις τοποθετήσεις για τους 5 μήνες πειραματικών μετρήσεων Σχήμα Β22 Διάγραμμα πίεσης ενθαλπίας και διαδρομή της εξεταζόμενης διεργασίας 167 Σχήμα Β23 Γραφική παράσταση COP υπό διαφορετικές καλύψεις και διαφορετικά βάθη Σχήμα Β24 Διάγραμμα Πίεσης-Ενθαλπίας για το ψυκτικό μέσο R134a 168 [xiv]

16 Σχήμα Β25 γραφική παράσταση COP υπό διαφορετικές καλύψεις και διαφορετικά βάθη για τους χειμερινούς μήνες Σχήμα Π1 Όψη θερμοκηπίου και κατασκευαστικές λεπτομέρειες Σχήμα Π2 Ανάπτυγμα σκεπάστρου σε στοιχειώδεις επιφάνειες Σχήμα Π3Απεικόνιση έλλειψης και ορισμός ημιαξόνων 178 Σχήμα Π4 Χωρισμός θερμοκηπίου σε γεωμετρικούς όγκους Σχήμα Π6 Τεχνικά χαρακτηριστικά λέβητα πετρελαίου [xv]

17 Πίνακας συμβολισμών και μονάδων Συμβολισμός Περιγραφή Μονάδες a Ακτίνα έλλειψης (m) AEFEP Μέση εκπομπή CO 2 μέσω της ηλεκτροπαραγωγής (gr CO 2 /kwh) AECS Μέση εκπομπή CO 2 μέσω του καυσίμου που υποστηρίζει το συμβατικό σύστημα (gr CO 2 /kwh) Α Επιφάνεια (m 2 ) Ac Επιφάνεια υλικού κάλυψης (m 2 ) Α g Επιφάνεια καταλαμβανόμενης επιφάνειας εδάφους από το θερμοκήπιο A s Ετήσια θερμοκρασιακή διακύμανση του εδάφους (m 2 ) ( o C) Α1 πλευρική Α2 πλευρική Επιφάνεια πλευρικής επιφάνειας κατά μήκος του θερμοκηπίου Επιφάνεια πλευρικής επιφάνειας κατά πλάτος του θερμοκηπίου (m 2 ) (m 2 ) b Ακτίνα έλλειψης (m) Β θερμοκηπίου Πλάτος θερμοκηπίου (m) C 3 Σταθερά του Wien (2,9*10-3 ) (m*k) CF o Αρχικό κόστος επένδυσης Ευρώ CF n Χρηματοροή για το έτος n (Έσοδα- έξοδα) Ευρώ CCE Εκπομπές CO 2 συμβατικών συστημάτων (gr CO 2 /kwh) CS Εξοικονόμηση εκπομπών (gr CO 2 /kwh) c p Ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση ρευστού (kcal/kgr*k) c v Ειδική θερμότητα του ρευστού υπό σταθερό όγκο (kcal/kgr*k) [xvi]

18 COP Βαθμός απόδοσης αντλίας θερμότητας COP h Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές θέρμανσης COP c Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές δροσισμού d Η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα (m) D Η περατότητα του θερμοκηπίου στην ακτινοβολία ED Ενεργειακές απαιτήσεις του συστήματος αβαθούς γεωθερμίας (kw) F c F sc f Παράγοντας μερικού φορτίου για θέρμανση ή ψύξη αντίστοιχα Παράγοντας απωλειών θερμότητας λόγω μικρής απόστασης τοποθέτησης των σωληνώσεων κυκλώματος γεωεναλλάκτη πολλαπλών βρόχων Συντελεστής τριβής Darcy GCE Εκπομπές CO 2 συστήματος γεωθερμίας (gr CO 2 /kwh) h gr Βάθος από την επιφάνεια του εδάφους (m) h υδροροής Ύψος υδρορροής (m) h Ειδική ενθαλπία (kj/kgr) HD Απαιτήσεις θέρμανσης (kw) IC Δαπάνη επένδυσης (Ευρώ) k Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας με αγωγή (W/m*K) l Πάχος υλικού (m) L Μήκος (m) L h Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για θέρμανση (m) L c Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για δροσισμό (m) L θερμοκηπίου Μήκος θερμοκηπίου (m) [xvii]

19 L e L e /d Ισοδύναμο μήκος σωλήνα λόγω στροφής στους υπολογισμούς της πτώσης πίεσης κυκλώματος Λόγος ισοδύναμου μήκους σωλήνα προς την εσωτερική του διάμετρο (m) MHO Μέσος χρόνος λειτουργίας (hr) m w Μάζα υγρασίας (υδρατμών) (kgr) m a Μάζα αέρα (kgr) n Έτος (yr) n s Ο συντελεστής μετατροπής της ολικής ακτινοβολίας σε θερμική ενέργεια μέσα στο θερμοκήπιο Ν Ανανεώσεις αέρα Ανανέωση/ώρα NPV Καθαρά παρούσα αξία (Ευρώ) ΡΒ Χρόνος αποπληρωμής (Έτη) Ρελ Εμβαδόν έλλειψης (m 2 ) PΕ PLF m Q βρόχου Πολοθαιθυλένιο Παράγοντας μερικού-φορτίου κατά το μήνα σχεδιασμού Απορροφούμενη θερμότητα από το έδαφος ανά βρόχο κυκλώματος γεωεναλλάκτη (kw) Q h Προσδιδόμενη θερμότητα σε χώρο (kw) Q c Αφαιρούμενη θερμότητα από χώρο (kw) Q Θερμικές ανάγκες θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια της νύχτας (kw) Qvent Θερμικές ανάγκες λόγω αερισμού (kw) q H Ένταση θερμικού ρεύματος που καταναλίσκεται από το θερμοκήπιο (W/m 2 ) q GL Ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) q Ένταση θερμικού ρεύματος (W/m 2 ) [xviii]

20 q a Μέση ετήσια μεταφορά θερμότητας προς το έδαφος (kw) q lc Φορτίο δροσισμού σχεδιαζόμενου κτιρίου (kw) q lh Φορτίο θέρμανσης σχεδιαζόμενου κτιρίου (kw) q d,heat Απαιτήσεις θέρμανσης του χώρου (kw) q d,cool Απαιτήσεις δροσισμού του χώρου (kw) r Ακτίνα στροφής σωλήνα σε κύκλωμα (m) Re: R ga R gd Αδιάστατος αριθμός Reynolds Δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ετήσια βάση Δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ημερήσια βάση (m 2 *K/W) (m 2 *K/W) R p Θερμική αντίσταση σωλήνα (m 2 *K/W) R s Θερμική αντίσταση εδάφους (m 2 *K/W) SC Εξοικονόμηση δαπανών Ευρώ Τ Θερμοκρασία ( o C) Ti Εσωτερική θερμοκρασία θερμοκηπίου (επιθυμητή) ( o C) To Εξωτερική θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου ( o C) T c Θερμοκρασία ψυχρού περιβάλλοντος ( o C) T h Θερμοκρασία θερμού περιβάλλοντος ( o C) Tg Θερμοκρασία εδάφους ( o C) T g,min Ελάχιστη αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( o C) T ewt,min Ελάχιστη θερμοκρασία εισόδου σχεδιασμού του νερού στην αντλία θερμότητας ( o C) T g,max Μέγιστη αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( o C) Temp n Τιμή θερμοκρασίας μετρούμενη στον αισθητήρα n ( o C) [xix]

21 t g Αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( o C) t p Διόρθωση θερμοκρασίας για τυχόν παρεμβολές από παρακείμενους σωλήνες ( o C) t m Μέση θερμοκρασία του εδάφους ( o C) t 0 Μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα ( o C) t wο : ( o C) t wi Θερμοκρασία ρευστού κατά την έξοδο από την αντλία θερμότητας Θερμοκρασία ρευστού κατά την είσοδο στην αντλία θερμότητας ( o C) ( o C) U Συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας (W/m 2 * 0 C) v Ταχύτητα του ρευστού (m/sec) V Όγκος θερμοκηπίου (m 3 ) V παρ Όγκος παραλληλεπίπεδου (m 3 ) V σκεπ Όγκος ημικυλίνδρου (m 3 ) w Ποσοστό υγρασίας (%) W Μηχανικό έργο (J) W c W h Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για δροσισμό Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για θέρμανση (kw) (kw) Χ s Βάθος εδάφους, τοποθέτησης γεωεναλλάκτη (m) α Θερμική διαχυτότητα (m 2 /sec) Δt Διαφορά θερμοκρασίας προς την κατεύθυνση μεταφοράς της θερμότητας ( o C) Δp Πτώση πίεσης (kpa) Δp γραμ /βρόχο Η πτώση πίεσης ανά βρόχο κυκλώματος (kpa) Δp tota Η πτώση συνολική πτώση πίεσης σε κύκλωμα (kpa) [xx]

22 Δp μετ / κύκλο Η πτώση πίεσης λόγω μεταβολής κατεύθυνσης της ροής ανά κύκλο (kpa) ε Τραχύτητα σωλήνα (m) λ max Μέγιστο μήκος κύματος (m) ν Κινηματικό ιξώδες (m 2 /sec) ρ Πυκνότητα (kg/m 3 ) [xxi]

23 [xxii]

24 Περιεχόμενα 1.Εισαγωγή Οι ΑΠΕ ως συστατικό της σύγχρονης αγροτικής δραστηριότητας Γενικά Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Βιομάζα Γεωθερμική ενέργεια Η σημασία της θέρμανσης και του δροσισμού θερμοκηπίων και η συμμετοχή των ΑΠΕ σ αυτές Γενικά Η γεωθερμία ως λύση της θέρμανσης και του δροσισμού θερμοκηπίων Η γεωθερμία σήμερα Γενικά Δημιουργία γεωθερμικών πεδίων Τρόποι αξιοποίησης γεωθερμικών πεδίων Γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας Γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας Αβαθής γεωθερμία Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της γεωθερμικής ενέργειας Παγκόσμια επισκόπηση των γεωθερμικών πεδίων και χρήσεων Χρήση γεωθερμίας παγκοσμίως Γενικές κατηγορίες χρήσεων Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας [xxiii]

25 2.6.2 Απευθείας θέρμανση χώρων Θέρμανση Θερμοκηπίων Θέρμανση υδατοκαλλιεργειών Ξήρανση καρπών και άλλων αγροτικών προϊόντων Βιομηχανικές εφαρμογές θέρμανσης Θερμά νερά και Ιαματικά λουτρά Άλλες χρήσεις Γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές Τεχνικές χρήσης της γεωθερμίας σε αγροτικές εφαρμογές Άμεση θέρμανση χώρων Γενική περιγραφή Παραδείγματα εφαρμογών Τεχνική περιγραφή Επεξεργασία αγροτικών και κτηνοτροφικών προϊόντων Γενική περιγραφή Παραδείγματα εφαρμογών Τεχνική περιγραφή Θέρμανση μονάδων ιχθυοκαλλιέργειας Γενικά Παραδείγματα εφαρμογών Τεχνική περιγραφή Κλιματισμός θερμοκηπίων με γεωθερμία Γενικά Το σύστημα θερμοκήπιο Υπολογισμός θερμικών αναγκών θερμοκηπίου [xxiv]

26 Υπολογισμός αναγκών δροσισμού θερμοκηπίου Περιγραφή συστημάτων θέρμανσης θερμοκηπίων Περιγραφή συστημάτων δροσισμού θερμοκηπίων Τεχνική περιγραφή συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου με γεωθερμία Παραδείγματα θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία παγκοσμίως Παραδείγματα εφαρμογών στην Ελλάδα Αποτίμηση της θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία στην Ελλάδα Αβαθής γεωθερμία Γενικά Ορισμός της αβαθούς γεωθερμίας και ρόλος του εδάφους Ιστορική ανασκόπηση Τεχνική περιγραφή συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Συνολική περιγραφή του συστήματος Γεωθερμική αντλία θερμότητας Εισαγωγή Θερμοδυναμική ανάλυση Βαθμός απόδοσης (COP) Κατασκευαστικά στοιχεία Ψυκτικά μέσα Γεωεναλλάκτης Βασικές έννοιες Τύποι γεωεναλλακτών Υλικά Εργαζόμενο μέσο Διανομής της θερμότητας Συμπληρωματικός εξοπλισμός [xxv]

27 Θερμικά μοντέλα μετάδοσης θερμότητας σε σωλήνες Σχεδιασμός συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Περιγραφή της μεθόδου Σχεδιασμός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας σε θερμοκήπιο Προσδιορισμός θερμικών απωλειών/κερδών θερμοκηπίου Επιλογή αντλίας θερμότητας Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της θερμοπηγής Τοποθέτηση γεωεναλλάκτη Σχεδιασμός συστήματος διανομής Μοντελοποίηση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Υπολογιστικά Μοντέλα και προσομοίωση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση αβαθούς γεωθερμίας Παραδείγματα συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Γενικά παραδείγματα Αβαθής γεωθερμία στον αγροτικό τομέα Γενικά Παραδείγματα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αβαθούς γεωθερμίας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Β ΜΕΡΟΣ Εισαγωγή Σκοπός Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα [xxvi]

28 2.1.Κατασκευές και πειραματικές διατάξεις Υπολογισμοί σχεδιασμού συστήματος Ανάγκες θέρμανσης και δροσισμού-επιλογή αντλίας θερμότητας Διαστασιολόγηση γεωεναλλάκτη Υπολογισμός συμπληρωματικού εξοπλισμού Υπολογισμός εξοικονόμησης εκπομπών CO Οικονομικά δεδομένα Υπολογισμός απόδοσης του συστήματος με διαφορετικά υλικά κάλυψης και σε διαφορετικά βάθη Πειραματικά δεδομένα Υπολογισμοί COP Συμπεράσματα Συμπεράσματα επί του σχεδιασμού του συστήματος Συμπεράσματα επί της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Συμπεράσματα επί της οικονομικής μελέτης Συμπεράσματα επί της συμπεριφοράς του εδάφους υπό διαφορετική κάλυψη Αντικείμενα για περαιτέρω έρευνα Παράρτημα Α. Υπολογισμός γεωμετρικών χαρακτηριστικών θερμοκηπίου Α.1 Υπολογισμός επιφάνειας Α2.Υπολογισμός όγκου Β. Μεθοδολογία προσδιορισμού συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας κατασκευής [xxvii]

29 Γ. Παρουσίαση τεχνικών χαρακτηριστικών και στοιχεία κόστους αντλίας θερμότητας Δ. Τεχνικά χαρακτηριστικά κυκλοφορητή E. Τεχνικά χαρακτηριστικά και στοιχεία κόστους συστημάτων θερμότητας της οικονομικής μελέτης Ε.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά και στοιχεία κόστους καυστήρα-λέβητα pellet 187 Ε.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά και στοιχεία κόστους σόμπας pellet Ε.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά και στοιχεία κόστους συστήματος πετρελαίου 188 Ε.4 Τεχνικά χαρακτηριστικά και στοιχεία κόστους συστήματος φυσικού αερίου Βιβλιογραφία [xxviii]

30 1. Εισαγωγή 1.Εισαγωγή 1.1 Οι ΑΠΕ ως συστατικό της σύγχρονης αγροτικής δραστηριότητας Γενικά Η σύνδεση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με τις αγροτικές εφαρμογές είναι πολλαπλή. Ουσιαστικά υπάρχει συσχετισμός τόσο όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας μέσω της αγροτικής δραστηριότητας, όσο και στην κατανάλωση ενέργειας από αυτή. Πολλές από τις τεχνολογίες των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι δυνατόν να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες αγροτικών εφαρμογών. Ακόμα η ίδια η αγροτική διαδικασία μπορεί να συμβάλλει στην παραγωγή κάποιας μορφής ανανεώσιμης ενέργειας. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν εργασίες όπως η θέρμανση ή ο δροσισμός αγροτικών εγκαταστάσεων, η άντληση νερού και η ηλεκτροδότηση. Στη δεύτερη κατηγορία συγκαταλέγονται πρακτικές όπως η αξιοποίηση της βιομάζας, είτε για την παραγωγή βιοκαυσίμων ή με την καύση της για παραγωγή θερμότητας. Άλλες περιπτώσεις είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μικρές ανεμογεννήτριες ή η συλλογή νερού. Οι παραπάνω τεχνικές συμβάλλουν στην επίτευξη ενεργειακής αυτονομίας- σε μία περίοδο που η ενεργειακή αγορά είναι εξαιρετικά ασταθής, σε ενεργειακή ασφάλεια- καθώς και στην προστασία του περιβάλλοντος. (Fischer et al,2006) Η ανάπτυξη και ο εκσυγχρονισμός της αγροτικής παραγωγής είχε ως αποτέλεσμα να επηρεαστούν και οι οικονομικοί συσχετισμοί που εμπλέκονται σε αυτή. Η παραπάνω διαπίστωση σε συνδυασμό με την αναγκαιότητα για προστασία του περιβάλλοντος επηρέασε και τη λογική παραγωγής των αγροτικών προϊόντων. Η παραγωγή ανταγωνιστικών προϊόντων τόσο σε κόστος όσο και σε προδιαγραφές θεωρείται σχεδόν επιβεβλημένη με την πάροδο του χρόνου. Ο ρόλος που διαδραματίζει η ενέργεια στην παραγωγή των αγροτικών προϊόντων είναι βασικός και εδώ προκύπτει η σύνδεση της αγροτικής παραγωγής με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι βασικότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που σχετίζονται με την αγροτική δραστηριότητα είναι οι ακόλουθες Ηλιακή ενέργεια Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων η ηλεκτροδότηση αγροτικών εγκαταστάσεων και μηχανών μπορεί να πραγματοποιηθεί με την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Για παράδειγμα στην Γκάμπια η άντληση νερού για αγροτικές εφαρμογές από πηγάδια πραγματοποιείται με ηλεκτρικές αντλίες οι οποίες τροφοδοτούνται από συστοιχίες φωτοβολταϊκών πλαισίων (ACP-EU Technical Centre for Agricultural and Rural Co-operation,2008). Εκτός από την ηλεκτροδότηση υπάρχει και η περίπτωση των ηλιοθερμικών συστημάτων για παραγωγή θερμού νερού χρήσης. Σε κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις υπάρχουν υψηλές 1

31 1. Εισαγωγή απαιτήσεις θερμού νερού και αέρα. Το θερμό νερό είναι απαραίτητο για τον καθαρισμό του εξοπλισμού ενώ περίπου το 40% της ενέργειας χρησιμοποιείται για την επεξεργασία του γάλακτος (θέρμανση και εγκαταστάσεις ψύξης). Εξάλλου η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια μορφή ενέργειας, που ανέκαθεν συνδεόταν και με τις γεωργικές καλλιέργειες καθώς σ αυτή βασίζεται η θερμοκηπιακή καλλιέργεια, τα παθητικά συστήματα θέρμανσης με συλλέκτες καθώς και η αποξήρανση καρπών και φρούτων. (Fischer et al, 2006) Αιολική ενέργεια Η χρήση μικρών ανεμογεννητριών για την ηλεκτροδότηση των αγροτικών εγκαταστάσεων αποτελεί μια διαδεδομένη πρακτική στις ΗΠΑ. Το 2004 η συμμετοχή της Αιολικής ενέργειας στο συνολικό ισοζύγιο της χώρας ανερχότανε στο 0,1%, ενώ στον αγροτικό τομέα από το συνολικό ποσοστό ενέργειας που καταναλωνότανε στην αιολική αντιστοιχούσε σχεδόν το 30% (Schnepf 2006). Οι βασικότερες εφαρμογές της αιολικής ενέργειας στον αγροτικό τομέα είναι η ηλεκτροδότηση καθώς και η μηχανική ενέργεια που μπορεί να παρέχουν εξαιτίας της αρχής λειτουργίας τους. Η χρήση ανεμογεννητριών μπορεί να εξυπηρετήσει την άντληση νερού είτε ηλεκτροδοτώντας αντλίες είτε με μηχανικό τρόπο (Εικόνες Α1, Α2). Η πρακτική αυτή αποδεικνύεται συμφέρουσα σε περιοχές με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά- όπου δηλαδή πνέουν ισχυροί άνεμοι και απουσιάζουν οι συμβατικές μορφές ενέργειας.(badran, 2003) 2

32 1. Εισαγωγή Εικόνα Α1 Ανεμογεννήτριες σε καλλιέργεια για ηλεκτροπαραγωγή (Πηγή Εικόνα Α2 : Άντληση νερού με τη βοήθεια του ανέμου (Πηγή: ) 3

33 1. Εισαγωγή Βιομάζα Τα βιοκαύσιμα αποτελούν την κύρια μορφή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που συνδέεται άμεσα με την γεωργία. Η βιοαιθανόλη αποτελεί το πρώτο καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε στα οχήματα ως υποκατάστατο της βενζίνης. Ο τρόπος παραγωγής της είναι με αλκοολική ζύμωση της ζάχαρης. Υπάρχουν και βιομηχανικοί τρόποι με τη χημική αντίδραση του αιθυλενίου με τον ατμό. Κύρια πηγή ζάχαρης είναι οι ενεργειακές καλλιέργειες. Οι συνηθέστερες είναι το σόργο, τα τεύτλα, το καλαμπόκι, το σιτάρι, τα άχυρα, το ξύλο ιτιάς και άλλων δέντρων, το πριονίδι, ο μίσχανθος, η αγριαγκινάρα και άλλες.(naik et al,2010) Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ενδιαφέρον και για την αξιοποίηση παραπροϊόντων της γεωργικής δραστηριότητας (στελέχη βαμβακιάς, αγριαγκινάρα, ξυλεία), για την παραγωγή στερεών καυσίμων (pellet). Έτσι και καινούριες καλλιέργειες εισάγονται στον αγροτικό τομέα αλλά και επιπλέον κέρδη από τα υποπροϊόντα προκύπτουν. Η χρήση βιομάζας σε αγροτικές εφαρμογές συνοψίζεται κυρίως στην καύση σε ειδικούς καυστήρες για θέρμανση θερμοκηπίων καθώς τα βιοκαύσιμα δεν χρησιμοποιούνται ακόμα σε γεωργικά οχήματα και μηχανήματα. Φυσικά σημαντική είναι και η παραγωγή βιοαερίου από τα λύματα κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων, μία αρκετά διαδεδομένη τεχνική που δεν αποτελεί αντικείμενο της εν λόγω εργασίας που επικεντρώνεται κυρίως σε γεωργικές εφαρμογές. Εικόνα Α3 Pellets (Πηγή: ) 4

34 1. Εισαγωγή Εικόνα Α4 Αναπαράσταση παραγωγής βιοκαυσίμων και χρήσεις (Πηγή: ) Γεωθερμική ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια αξιοποιείται μέχρι σήμερα στον αγροτικό τομέα κυρίως για θέρμανση θερμοκηπίων και άμεση θέρμανση χώρων. Μικρότερη συμμετοχή έχει σε εγκαταστάσεις ιχθυοκαλλιέργειας και αποξήρανσης καρπών. Στον πίνακα Α1 φαίνεται η θερμοκρασιακή κλίμακα στην οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η κάθε εφαρμογή του αγροτικού τομέα. Στην εικόνα Α5 απεικονίζεται η κατανομή των γεωθερμικών εφαρμογών που αφορούν αγροτικές δραστηριότητες στην Ευρώπη. Είναι εμφανής η πυκνότητα γεωθερμικών πεδίων στην νοτιοανατολική Ευρώπη σε σχέση με τις περιοχές της κεντρικής και βόρειας, αλλά και την αυξημένη αξιοποίηση στις περιοχές αυτές. 5

35 1. Εισαγωγή Πίνακας Α1 Απαιτούμενη θερμοκρασία θερμού νερού για αγροτικές εφαρμογές (Πηγή: Gudmundsson & Lund,1985) 6

36 1. Εισαγωγή Εικόνα Α5 Κατανομή αγροτικών εφαρμογών με τη χρήση γεωθερμίας στην Ευρώπη (Πηγή:Popovski,2009) 7

37 1. Εισαγωγή 1.2 Η σημασία της θέρμανσης και του δροσισμού θερμοκηπίων και η συμμετοχή των ΑΠΕ σ αυτές Γενικά Η διατήρηση των απαραίτητων συνθηκών στο εσωτερικό ενός θερμοκηπίου αποτελεί βασικό παράγοντα για την ανάπτυξη της καλλιέργειας. Το ζητούμενο σε μία τέτοια καλλιέργεια είναι η παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητας. Τα συστήματα θέρμανσης και δροσισμού αντίστοιχα έχουν ως στόχο την εξισορρόπηση απωλειών θερμότητας κατά τη χειμερινή περίοδο αλλά και την αποτροπή ακραίων θερμοκρασιών κατά τη θερινή κατά περιπτώσεις. Σε αρκετές περιπτώσεις παγκοσμίως η θερμοκηπιακή καλλιέργεια θα ήταν απαγορευτική απουσία τέτοιων συστημάτων. Για παράδειγμα στη Βόρεια Ευρώπη τα θερμοκήπια απαιτείται να θερμαίνονται τόσο τους χειμερινούς όσο και τους θερινούς μήνες (Zabeltitz, 1994). Σε χώρες με θερμά κλίματα όπου η καλοκαιρινή περίοδος είναι αρκετά θερμή και σαφώς πιο εκτεταμένη από εκείνη των ήπιων κλιμάτων, η επιτυχής ανάπτυξη ποιοτικών καλλιεργειών αποτελεί δύσκολο ζήτημα και ο δροσισμός θεωρείται επιβεβλημένος (Ahmed et al, 2011). Στις περισσότερες περιπτώσεις και κυρίως πριν το ενεργειακό πρόβλημα διογκωθεί οι ενεργειακές ανάγκες των θερμοκηπίων καλύπτονταν από συμβατικά συστήματα θέρμανσης κυρίως με αξιοποίηση ορυκτών καυσίμων και βιομάζας (ξύλου) - ενώ ο δροσισμός επιτυγχάνονταν με μηχανικά μέσα. Τα περιβαλλοντικά ζητήματα που τέθηκαν ως στόχοι πολλών χωρών είχαν ως αποτέλεσμα την στροφή προς καινοτόμα συστήματα θέρμανσης και δροσισμού. Οι στόχοι που τέθηκαν σε επίπεδο Ε.Ε. είναι μέχρι το 2020 να έχει επιτευχθεί μείωση των εκπομπών CO 2 κατά 20%, εξοικονόμηση ενέργειας κατά 20% και συμμετοχή των ΑΠΕ στο ενεργειακό μίγμα σε ποσοστό 20%. Επιπλέον παγκοσμίως υπάρχουν διεθνείς συμφωνίες για περιορισμό των αερίων του θερμοκηπίου αλλά και άλλων δεσμεύσεων που αφορούν περιβαλλοντικά θέματα (Κάπρος,2009). Εκτός αυτού η άνιση κατανομή των ενεργειακών πόρων παγκοσμίως- από τους οποίους και προέρχονται τα συμβατικά καύσιμα- προσδίδει αβεβαιότητα τόσο όσον αφορά τα οικονομικά δεδομένα όσο και τη διάθεση τους. Ως συνέπεια όλων των παραπάνω πραγματοποιήθηκε και συνεχίζει να πραγματοποιείται στροφή προς καινοτόμα συστήματα για την κάλυψη θερμικών αναγκών αλλά και αναγκών δροσισμού, ιδιαίτερα σε χώρες που δεν είναι παραγωγοί των βασικών ορυκτών καυσίμων (Μαρτζόπουλος,2006). Τα συστήματα που αξιοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εκτός από τη συμβολή τους στην προστασία του περιβάλλοντος αποδεικνύονται πολλές φορές αποδοτικότερα οικονομικά-ενώ ενδέχεται να εξοικονομούν και ενέργεια. Όλοι αυτοί οι λόγοι οδηγούν στην υιοθέτηση τέτοιων συστημάτων και στη θέρμανση και το δροσισμό θερμοκηπίων. 8

38 1. Εισαγωγή Η γεωθερμία ως λύση της θέρμανσης και του δροσισμού θερμοκηπίων Μία από τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας που μπορεί να υποστηρίξει με αποδοτικό τρόπο τον κλιματισμό θερμοκηπίων σε όλα τα επίπεδα είναι η γεωθερμική ενέργεια. Αν και συγκεντρώνει πολλά χαρακτηριστικά που την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική ως πηγή ενέργειας γι αυτόν το σκοπό- υπάρχουν και προβλήματα όσον αφορά τη χρήση της. Σε γενικές γραμμές τα αναγνωρισμένα γεωθερμικά πεδία αποτελούν στην Ελλάδα κρατική περιουσία και η αξιοποίηση τους μπορεί να γίνει οργανωμένα σε μεγάλη κλίμακα και όχι για μικρές εφαρμογές. Τα γεωθερμικά πεδία είναι δυνατόν να καλύψουν άμεσα ανάγκες θέρμανσης ή με την παρεμβολή συσκευών (αντλίες θερμότητας), να πετύχουν και δροσισμό. Εξασφαλίζοντας δωρεάν θέρμανση και δροσισμό του θερμοκηπίου, αυξάνεται η αποδοτικότητα της καλλιέργειας σε οικονομικούς όρους ενώ ενισχύεται η ενεργειακή αυτονομία και προστατεύεται το περιβάλλον. Εκτός των γεωθερμικών πεδίων είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί η λεγόμενη αβαθής γεωθερμία. Η αβαθής γεωθερμία είναι θερμική ενέργεια προερχόμενη από την ηλιακή - η οποία βρίσκεται αποθηκευμένη σε μικρά βάθη. Μ αυτό τον τρόπο ξεπερνιούνται θεσμικοί περιορισμοί καθώς και η αναγκαιότητα να πραγματοποιηθεί η εγκατάσταση του θερμοκηπίου κοντά σε πεδίο. Βέβαια και σ αυτή την εφαρμογή παρουσιάζονται προβλήματα. Ο σωστός σχεδιασμός παρ όλα αυτά είναι δυνατόν να τα περιορίσει αν όχι να τα εξαλείψει. Η Ελλάδα διαθέτει αρκετά γεωθερμικά πεδία, ενώ και η τεχνολογία όπως και η τεχνογνωσία πάνω σε συστήματα γεωθερμίας αλλά και αβαθούς γεωθερμίας είναι δεδομένη. Οι προϋποθέσεις για την ανάπτυξη αυτής της ενεργειακής προοπτικής υπάρχουν, με τα πρώτα δείγματα εφαρμογών να είναι αρκετά ενθαρρυντικά. 9

39 2 Η γεωθερμία σήμερα 2.Η γεωθερμία σήμερα 2.1 Γενικά Ως γεωθερμική ενέργεια ορίζουμε την ενέργεια που εντοπίζεται αποθηκευμένη στο εσωτερικό της γης σε διάφορα βάθη υπό τη μορφή θερμότητας (Χατζηγιάννης, 2009). Το 47 % της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα απορροφάται από το έδαφος (Klaassen,2006), ενώ μόνο ένα 3% της θερμότητας που είναι αποθηκευμένη στο έδαφος προέρχεται από τον πυρήνα (Rawlings & Sukulski 1999).Το 2008 το Ευρωπαϊκό συμβούλιο γεωθερμικής ενέργειας (E.G.E.C) όρισε ως γεωθερμική ενέργεια την ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη με τη μορφή θερμότητας κάτω από την επιφάνεια του στερεού φλοιού της γης. Η αλλαγή αυτή αναγνωρίζει και τη λεγόμενη αβαθή γεωθερμία ως γεωθερμική ενέργεια παρ όλο που δε ρέει στην επιφάνεια με τη βοήθεια κάποιου φυσικού ρευστού. Η ενέργεια που μεταφέρεται στην επιφάνεια με αγωγή δεν έχει υψηλό ρυθμό μετάδοσης και γι αυτό το λόγο δεν μπορεί να αξιοποιηθεί με τεχνικά μέσα από τον άνθρωπο. Αντίθετα όταν η ενέργεια αυτή μεταφέρεται στην επιφάνεια με τη βοήθεια ρευμάτων που οφείλεται σε ηφαιστειακά φαινόμενα καθώς και εγκλωβισμό νερού στα σύνορα των λιθοσφαιρικών πλακών, βρίσκεται σε επίπεδα αρκετά υψηλά ώστε να μπορεί να αξιοποιηθεί. Οι φορείς της γεωθερμικής ενέργειας αυτής της μορφής είναι ρευστά όπως θερμά νερά ή ατμοί. Κατά συνέπεια είναι εύκολη η χρήση τους καθώς έχουν αναπτυχθεί οι αντίστοιχες τεχνολογίες. Στη γεωθερμία υπάρχουν δύο τύπων πεδία. Εκείνα τα οποία προέρχονται από ηφαιστειακή δραστηριότητα και ως προϊόν αυτής προκύπτουν υπέρθερμοι ατμοί. Συνήθως ο σχηματισμός τους παρατηρείται σε θύλακες οι οποίοι εντοπίζονται σε μικρά σχετικά βάθη (μέχρι 3 km). Αυτά τα πεδία χαρακτηρίζονται ως γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας και η θερμοκρασία των υπέρθερμων ατμών είναι μεγαλύτερη των 150 ο C. Η βασική τους χρήση είναι η ηλεκτροπαραγωγή σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Η αρχή λειτουργία τους συνοψίζεται στo σχήμα Α1 ενώ στην εικόνα Α6 παρατηρείται ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη συνδρομή γεωθερμικού πεδίου. Ο δεύτερος τύπος είναι τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας. Σ αυτά τα πεδία το μέσο μεταφοράς της θερμότητας είναι θερμό νερό υπό πίεση το οποίο ξεκινάει από θερμοκρασίες 25 ο C μέχρι 150 ο C. Οι άμεσες χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής ενθαλπίας είναι: 1. Αντλίες θερμότητας συνδεδεμένες στο έδαφος 2. Άμεση θέρμανση χώρων 3. Θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών 4. Υδατοκαλλιέργειες 5. Βιομηχανικές εφαρμογές 10

40 2 Η γεωθερμία σήμερα 6. Θέρμανση πισινών και ιατρικές εφαρμογές Σχήμα Α1 Αρχή λειτουργίας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής υποστηριζόμενης από γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας (Πηγή: Εικόνα Α6 Μονάδα ηλεκτροπαραγωγής στην Ισλανδία με την αξιοποίηση γεωθερμικού πεδίου (Πηγή: 11

41 2 Η γεωθερμία σήμερα Τα πεδία αυτά βρίσκονται σε μεγαλύτερα βάθη, περίπου 6-7 km που συνήθως αποτελούν και τα μέγιστα βάθη γεώτρησης. Η εξόρυξη από μεγαλύτερα βάθη γίνεται ασύμφορη οικονομικά, μειώνεται η ασφάλεια εξόρυξης ενώ αυξάνονται οι πιθανότητες να είναι πιο δύσκολος ο εντοπισμός υδροφόρου ορίζοντα. 2.2 Δημιουργία γεωθερμικών πεδίων Στο εσωτερικό της γης υπάρχει συγκεντρωμένη θερμότητα. Αυτή είναι δυνατόν να μεταφερθεί σε αποστάσεις σχετικά κοντινές προς την επιφάνεια της με τη συνδρομή συγκεκριμένων γεωλογικών φαινομένων. Το σημαντικότερο από αυτά είναι εκείνο των λιθοσφαιρικών πλακών. Η λιθόσφαιρα, που είναι το εξωτερικό κέλυφος του πλανήτη, αποτελείται από πλάκες- τις λιθοσφαιρικές πλάκες. Αυτές δεν είναι ενωμένες μεταξύ τους και μάλιστα μετακινούνται διαρκώς με ρυθμό της τάξης του εκατοστού ανά έτος. Έτσι μπορεί να πραγματοποιηθεί: α) Απομάκρυνση των πλακών: Όταν οι πλάκες απομακρύνονται μεταξύ τους, το μάγμα τείνει να καλύψει το κενό που δημιουργείται. Στη συνέχεια στερεοποιείται και δημιουργείται κατ αυτό τον τρόπο καινούρια λιθοσφαιρική πλάκα. Το κομμάτι αυτό ονομάζεται ράχη. β) Σύγκλιση των πλακών: Κατά τη σύγκλιση των πλακών, αυτό που συμβαίνει είναι η μία πλάκα να βυθίζεται κάτω από την άλλη και να την καταστρέφει το μάγμα. Παράλληλα λαμβάνει χώρα και ένα δεύτερο φαινόμενο. Η τριβή που παρατηρείται λόγω της επαφής των πλακών στα άκρα οδηγεί σε περαιτέρω παραγωγή θερμότητας. Η θερμότητα αυτή έχε ως επακόλουθο την εμφάνιση ηφαιστειακής ή υποηφαιστειακής δράσης και τη δημιουργία τάφρου στο σημείο αυτό. γ) Παράλληλη κίνηση των πλακών: Η παράλληλη κίνηση των πλακών ουσιαστικά δεν επιφέρει κάποια μεταβολή στη μεταβολή της λιθόσφαιρας. Τα πιο σημαντικά γεωθερμικά πεδία βρίσκονται στις περιοχές που προαναφέρθηκαν. Ο λόγος είναι διότι στις περιοχές αυτές εντοπίζεται σημαντική ηφαιστειακή δραστηριότητα και συνεπώς υπέρθερμες περιοχές. Παρ όλα αυτά μπορεί να παρατηρηθούν γεωθερμικά πεδία με σεβαστή γεωθερμική βαθμίδα και σε περιοχές που δε συγκεντρώνουν τα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Αυτές είναι περιοχές με συγκεκριμένα πετρώματα των οποίων τα βασικά στοιχεία είναι ραδιενεργά. Αυτό έχει ως επακόλουθο την αύξηση της θερμότητας του υπεδάφους, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις για παραγωγή θερμότητας. Τα πετρώματα μίας περιοχής συνεισφέρουν και με διαφορετικό τρόπο στην αύξηση της θερμικής βαθμίδας. Ανάλογα με το πόσο καλοί αγωγοί της θερμότητας είναι μπορεί να επιτρέπουν μεγαλύτερη ροή θερμότητας από το εσωτερικό του πλανήτη. 12

42 2 Η γεωθερμία σήμερα Άλλες περιπτώσεις ενίσχυσης της θερμικής βαθμίδας του υπεδάφους έχουν να κάνουν με τοπικά υψηλή ροή θερμότητας από το μανδύα προς και το φλοιό προς την επιφάνεια όπως και με μετάδοση θερμότητας με συναγωγή με τη συμμετοχή νερού που βρίσκει διόδους μέσα από ρωγμές ή πορώδεις σχηματισμούς. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται η θερμική βαθμίδα της περιοχής. Συμπερασματικά γίνεται εύκολα κατανοητό ότι γεωθερμικά πεδία μπορούν να βρεθούν σε πολλά σημεία του πλανήτη. Η ύπαρξη της γεωθερμικής βαθμίδας σε μία περιοχή δε συνεπάγεται με την ύπαρξη γεωθερμικού πεδίου ικανού για εκμετάλλευση. Η θερμική ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη στα πετρώματα πρέπει με κάποιο τρόπο να μεταφερθεί στην επιφάνεια. Ο φορέας είναι συνήθως κάποιο ρευστό, νερό κατά κύριο λόγο σε υγρή ή αέρια μορφή. Συνεπώς το γεωθερμικό ρευστό αποτελεί τον δεύτερο παράγοντα που καθιστά εκμεταλλεύσιμο ένα γεωθερμικό πεδίο. Το νερό που εγκλωβίζεται στο εσωτερικό της γης είναι νερό που προέρχεται από βροχές και χιόνια και έχει εισχωρήσει με αργούς ρυθμούς σε μεγάλα βάθη. Καθώς το νερό μετακινείται προς μεγαλύτερα βάθη απορροφά θερμότητα. Στη συνέχεια βρίσκει διόδους επανόδου στην επιφάνεια με τους μηχανισμούς που αναλύθηκαν προηγουμένως. Η απόσταση της περιοχής τροφοδοσίας του ρευστού από τα θερμά πετρώματα έχει μεγάλη σημασία. Το νερό έχει μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από τα εν λόγω πετρώματα με αποτέλεσμα να επηρεάζεται η επίτευξη της επιθυμητής θερμοκρασίας. Για να φτάσει λοιπόν το ρευστό στη θερμοκρασία που μπορεί να το καταστήσει αξιοποιήσιμο πρέπει ή να έρθει σε επαφή με τα πετρώματα ή να διανύσει πολύ μεγάλη διαδρομή εντός των πετρωμάτων. Συμπερασματικά τα γεωθερμικά πεδία ταξινομούνται ανάλογα με τον εντοπισμό τους και τη διαδικασία δημιουργίας τους στις ακόλουθες κατηγορίες. α) Τα υδροθερμικά συστήματα ή πόροι. Αυτά είναι τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά που βρίσκονται σε ταμιευτήρες μεμονωμένους ή κατά ομάδες- θερμαίνονται από κάποια εστία θερμότητας και εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης κυρίως με τη μορφή θερμών εκδηλώσεων. Τα συστήματα αυτά εν τέλει χαρακτηρίζονται ως το σύνολο σχεδόν των γεωθερμικών πεδίων, καθώς στην παρούσα χρονική περίοδο είναι τα μόνα συστήματα που αξιοποιούνται. β) Αβαθής γεωθερμία (earth energy), κατά την οποία αξιοποιούνται ποσότητες ενέργειας από μικρά βάθη με τη βοήθεια κάποιου μέσου (νερού ή και άλλων ψυκτικών μέσων στην περίπτωση της απευθείας εκτόνωσης) σε μικρά βάθη από την επιφάνεια της γης. Στην αβαθή γεωθερμία μπορεί να αξιοποιηθούν υπόγεια νερά ή και νερά από ποτάμια και τη θάλασσα. Η αβαθής γεωθερμία τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται με ιδιαίτερα γοργούς ρυθμούς γ) Τα προχωρημένα γεωθερμικά συστήματα (enhanced geothermal systems), που βασίζονται στον εντοπισμό θερμών πετρωμάτων σε βάθος από 2 μέχρι 10 km. Η 13

43 2 Η γεωθερμία σήμερα ανάκτηση της ενέργειας απ αυτά μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση νερού που διοχετεύεται από την επιφάνεια, μέσω γεωτρήσεων, και επιστρέφει πιο θερμό είτε με τη μορφή νερού ή και ατμού μέσω άλλων γεωτρήσεων. δ) Τα γεωπεπιεσμένα συστήματα (geopressured systems), ουσιαστικά είναι ρευστά εγκλωβισμένα σε μεγάλο βάθος, τα οποία έχουν περιοριστεί από πετρώματα και η πίεσή τους είναι μεγαλύτερη της υδροστατικής. ε) Τα μαγματικά συστήματα (magma systems) αποτελούν συστήματα τα οποία ανακτούν τη θερμότητα μαγματικών σχηματισμών σε μικρά βάθη με τη βοήθεια γεωτρήσεων. (Ροδίτης, 2011). 2.3 Τρόποι αξιοποίησης γεωθερμικών πεδίων Για την αξιοποίηση των γεωθερμικών πεδίων απαιτείται η εξόρυξη του ρευστού που βρίσκεται αποθηκευμένο στο εσωτερικό του εδάφους. Στις περιπτώσεις των πεδίων υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας η διαδικασία είναι παρόμοια. Χρησιμοποιούνται γεωτρήσεις παραγωγής με αποτέλεσμα να δίνεται διέξοδος στο ρευστό. Η γεώτρηση επιτρέπει την ελεγχόμενη άνοδο του ρευστού γεγονός που το καθιστά πιο εύκολα αξιοποιήσιμο. Συνήθως τα ρευστά ανεβαίνουν με πίεση και αξιοποιούνται ανάλογα με την εφαρμογή με διάφορους τρόπους (Τσιλιγκιρίδης, 2004). Στην αβαθή γεωθερμία η αποθηκευμένη ενέργεια του εδάφους σε χαμηλά βάθη αξιοποιείται με τη βοήθεια μίας διάταξης σωληνώσεων που βρίσκεται σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους που ονομάζεται γεωεναλλάκτης καθώς και μιας αντλίας θερμότητας Γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας. Στα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας η κυριότερη χρήση είναι η ηλεκτροπαραγωγή με την ίδια αρχή που λειτουργεί και ένα θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο. Ανάλογα με τη φάση στην οποία βρίσκεται το ρευστό διακρίνονται τρεις βασικές κατηγορίες. Όταν το γεωθερμικό ρευστό εξορύσσεται υπό τη μορφή ξηρού ατμού σε θερμοκρασίες άνω των 180 ο C, οδηγείται απευθείας στο στρόβιλο όπου θέτει σε κίνηση γεννήτρια με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση που το ρευστό βρίσκεται σε κατάσταση δύο φάσεων, υγρή και ατμού (150 ο C), επιχειρείται ο διαχωρισμός της υγρής από την αέρια φάση με εκτόνωση σε πίεση χαμηλότερη από την πίεση της κεφαλής της γεώτρησης. Έτσι ο ατμός χρησιμοποιείται πάλι στο στρόβιλο, σε αντίθεση με την υγρή φάση που είτε εκτονώνεται εκ νέου ώστε να προκύψει ατμός ή αξιοποιείται σε άλλες χρήσεις. 14

44 2 Η γεωθερμία σήμερα Τέλος τα ρευστά των οποίων οι τιμές της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερες των 90 ο C, χρησιμοποιείται εναλλάκτης θερμότητας στον οποίο κυκλοφορεί ρευστό με σημείο βρασμού χαμηλότερο από τη θερμοκρασία με αποτέλεσμα να εξατμίζεται και αυτοί οι ατμοί χρησιμοποιούνται στο στρόβιλο Γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας Στην περίπτωση των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής ενθαλπίας η αξιοποίηση εξαρτάται από τη χρήση που προορίζεται το πεδίο. Συνήθως στις εφαρμογές θέρμανσης παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας ή γεωθερμική αντλία θερμότητας. Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις άμεσης θέρμανσης χώρων όπου το ρευστό διοχετεύεται απευθείας σε κύκλωμα. Σε γενικές γραμμές πάντως τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν το γεωθερμικό ρευστό ως θερμοπηγή συνεπώς απαιτείται σχεδόν πάντα μία ενδιάμεση διάταξη που θα το αξιοποιήσει Αβαθής γεωθερμία Η συγκεκριμένη ενότητα θα αναλυθεί διεξοδικά σε ειδικό κεφάλαιο. 2.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της γεωθερμικής ενέργειας Στην παρούσα ενότητα παρατίθενται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση γεωθερμικών πεδίων χαμηλής και υψηλής ενθαλπίας. Τα αντίστοιχα για την αβαθή γεωθερμία θα αναλυθούν σε ακόλουθο κεφάλαιο. Κάποια από τα ακόλουθα. πλεονεκτήματα της χρήσης των γεωθερμικών πεδίων είναι τα 1. Εξοικονόμηση κόστους: Το λειτουργικό κόστος των εφαρμογών γεωθερμίας εξασφαλίζει εξοικονόμηση σε σχέση με τη χρήση ορυκτών καυσίμων της τάξης του 80%. Δεν απαιτείται ούτε αγορά καυσίμου αλλά ούτε και ενδιάμεσες διαδικασίες παραγωγής (όπως για παράδειγμα ατμοπαραγωγή στην περίπτωση της ηλεκτροπαραγωγής). Ταυτόχρονα απουσιάζουν τα κόστη μεταφοράς, αποθήκευσης όπως και το κόστος καθαρισμού των εγκαταστάσεων όπως αυτό φυσιολογικά προκύπτει από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων. 2. Απεξάρτηση από τη χρήση ορυκτών καυσίμων: Η χρήση γεωθερμικής ενέργειας όπως και όλων των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οδηγεί σε περιορισμό της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων, προσδίδοντας ενεργειακή ανεξαρτησία, εξοικονόμηση κόστους αλλά και προστασία του περιβάλλοντος. 3. Προστασία του περιβάλλοντος: Η γεωθερμικής ενέργεια δεν είναι ρυπογόνος ενώ δεν εκλύει και αέρια του θερμοκηπίου που συμβάλλουν στο φαινόμενο 15

45 2 Η γεωθερμία σήμερα της υπερθέρμανσης. Τα αέρια που ενδεχομένως εκλύονται από τις γεωτρήσεις δεν είναι επιβλαβή. 4. Άμεση χρήση του πεδίου: Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας άμεσα περικλείει οφέλη τόσο στην πολυπλοκότητα της εγκατάστασης όσο και στο λειτουργικό κόστος. Γενικά αποτελεί μία από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Αν και απαιτούν σχετικά υψηλό αρχικό κεφάλαιο μακροπρόθεσμα καθίσταται αποσβέσιμο. 5. Δημιουργία θέσεων εργασίας και οικονομική ανάπτυξη σε τοπικό επίπεδο : Η αξιοποίηση των γεωθερμικών πεδίων μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο επί τόπου. Αυτό καθιστά την περιοχή διαχειριστή αυτού. Κατά αυτό τον τρόπο δημιουργούνται θέσεις εργασίας, ενώ πολλές φόρες μπορεί να επιτευχθεί και οικονομική ανάπτυξη ανάλογα με τη χρήση του πεδίου. 6. Προστασία του περιβάλλοντος χώρου: Όσον αφορά την ηλεκτροπαραγωγή κυρίως, σε αντίθεση με άλλες εγκαταστάσεις ακόμα και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας απαιτείται κατ αρχήν μικρή έκταση. Επίσης δεν χρειάζεται αποψίλωση δασικών εκτάσεων εκτροπή ή χρήση ποταμών ως δεξαμενές Η θερμοηλεκτρικά εργοστάσια λιγνίτη ή σε πυρηνικές εφαρμογές για άλλους λόγους. Συνεπώς γίνεται κατανοητό ότι επηρεάζεται σε μικρότερο βαθμό ο περιβάλλον χώρος της εγκατάστασης. (Shibaki & Beck 2003) 7. Ευρύ φάσμα εφαρμογών από την ίδια γεώτρηση: Η σωστή αξιοποίηση της γεώτρησης και του ρευστού που προέρχεται από αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές εφαρμογές καθώς το ρευστό μπορεί να βρεθεί σε διάφορες θερμοκρασίες κατά την εξόρυξη του ή και μετά την αξιοποίηση του (Duffield & Sass,2003) Εκτός από πλεονεκτήματα η εφαρμογή τεχνολογιών γεωθερμίας συγκεντρώνει και μειονεκτήματα τα κυριότερα των οποίων αριθμούνται παρακάτω 1. Το υψηλό αρχικό κόστος των γεωτρήσεων: Η αρχική επένδυση στα πεδία υψηλής ενθαλπίας αλλά και στα χαμηλής είναι αρκετά υψηλή. 2. Ο τοπικός χαρακτήρας των εφαρμογών: Τα γεωθερμικά πεδία είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν μόνο στην περιοχή που υφίστανται. Καθώς το μέσο που χρησιμοποιείται είναι το ρευστό εξόρυξης, και αυτό δεν μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις. 3. Η απαίτηση εξειδικευμένου προσωπικού και εξοπλισμού : Για την ολοκλήρωση ενός έργου γεωθερμίας απαιτούνται ορθές γεωλογικές έρευνες, γεωτρήσεις παραγωγής καθώς και συστήματα αξιοποίησης των ρευστών που βρίσκονται στα πεδία αφού αυτά εξορυχθούν. Η μορφή ενέργειας αυτή δεν είναι διαδεδομένη στον ίδιο βαθμό με τα ορυκτά καύσιμα ή άλλες πηγές 16

46 2 Η γεωθερμία σήμερα ενέργειας. Συνεπώς ούτε εξειδικευμένο προσωπικό ούτε η κατάλληλη τεχνολογία είναι ευρέως διαδεδομένη. 4. Η πιθανότητα έκλυσης βλαβερών αερίων: Αν και τα αέρια που εκλύονται από μια γεωθερμική γεώτρηση δεν είναι ρυπογόνα για το περιβάλλον, υπάρχει το ενδεχόμενο να είναι τοξικά και επιβλαβή για τον άνθρωπο. 5. Διάβρωση των υλικών λόγω της φύσης των ρευστών: Η σύσταση των γεωθερμικών ρευστών μπορεί να είναι τέτοια ώστε να προκαλέσει φθορές στους σωλήνες ή στα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά και αξιοποίηση τους. 6. Αποφόρτιση του πεδίου: Αν η γεωλογική έρευνα δεν είναι σωστή μπορεί το γεωθερμικό ρευστό να ψυχθεί μετά από παρατεταμένη χρήση ή σε ακραίες αλλά όχι απίθανες περιπτώσεις να στερέψει η δεξαμενή από την οποία αντλείται. ( Παγκόσμια επισκόπηση των γεωθερμικών πεδίων και χρήσεων Χρήση γεωθερμίας παγκοσμίως Η χρήση γεωθερμικών πεδίων για διάφορες εφαρμογές έχει παρουσιάσει σημαντική αύξηση τα τελευταία 15 χρόνια. Παρακάτω παρατίθενται στοιχεία με τα οποία γίνεται εμφανής η ραγδαία αύξηση της χρήσης της γεωθερμίας σε όλες τις εφαρμογές και φυσικά και σε χρήσεις που αφορούν αγροτικές εφαρμογές. Στις εικόνες Α7, Α8 γίνεται μία απεικόνιση των γεωθερμικών πεδίων σε Ευρώπη και ΗΠΑ. Κάθε 5 χρόνια πραγματοποιείται το Παγκόσμιο Συνέδριο Γεωθερμίας (World Geothermal Congress) του οποίου σκοπός είναι να αποτιμήσει την κατάσταση γύρω από τη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας παγκοσμίως. Το 2010 σημειώνεται η χρήση γεωθερμικής ενέργειας σε 78 χώρες σε σχέση με τις 72 το 2005 και τα σαφώς μικρότερα νούμερα των προηγούμενων πενταετιών (58 το 2000 και 28 το 1995). Η εκτίμηση για την εγκατεστημένη θερμική ισχύ που προέρχεται από την αξιοποίηση της γεωθερμίας φτάνει περίπου τα 48,493 MWt, μία αύξηση της τάξης του 72% από τα δεδομένα του Η θερμική ενέργεια που χρησιμοποιείται ετησίως από τις εν λόγω εγκαταστάσεις είναι 423,830 TJ/year, μία αύξηση 55% από την προηγούμενη πενταετία. Οι χρήσεις ανά κατηγορία καθώς και η τάση της χρήσης της γεωθερμίας φαίνεται στα σχήματα Α2 και Α3. ( Lund et al 2000; Lund et al 2005; Lund et al 2010) 17

47 2 Η γεωθερμία σήμερα Εικόνα Α7 Χάρτης κατανομής γεωθερμικών πεδίων στην Ευρώπη σε βάθος 5 χιλιομέτρων (Πηγή: Εικόνα Α8 Χάρτης κατανομής γεωθερμικών πεδίων ΗΠΑ σε βάθος 6 χιλιομέτρων (Πηγή: 18

48 2 Η γεωθερμία σήμερα Σχήμα Α2 Τάση της χρήσης και εγκατεστημένης ισχύος γεωθερμικής ενέργειας την περίοδο (Πηγή: Lund et al,2011) Σχήμα Α3 Χρήση της γεωθερμίας ανά κατηγορία εφαρμογών την περίοδο (Πηγή: Lund et al,2011) 19

49 2 Η γεωθερμία σήμερα Πίνακας Α2 Εγκαταστημένη ισχύς και χρήση γεωθερμικής ενέργειας ανά αγροτική εφαρμογή παγκοσμίως για την περίοδο (Πηγή: Lund et al,2011). 2.6 Γενικές κατηγορίες χρήσεων Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας με τη χρήση των αντλιών θερμότητας αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό των διαφόρων χρήσεων, καθώς αποτελούν την ορθότερη λύση για θέρμανση και δροσισμό κτιρίων. Ουσιαστικά παρεμβάλλεται μία συσκευή μεταξύ του γεωθερμικού πεδίου και του χώρου χρήσης- η λειτουργία της οποίας θα εξηγηθεί διεξοδικά σε ακόλουθο κεφάλαιο. Οι περισσότερες εγκαταστάσεις παρατηρούνται στις ΗΠΑ, την Κίνα και Ευρώπη. Παρόλα αυτά αυξάνεται συνέχεια ο αριθμός των χωρών που χρησιμοποιούν το εν λόγω σύστημα. Η σχεδίαση συνήθως περιλαμβάνει υπερδιαστασιολόγηση του συστήματος όσον αφορά τη θέρμανση στις ΗΠΑ και στο ακριβές φορτίο για το δροσισμό. Αντίθετα στην Ευρώπη παρατηρείται ο συνδυασμός των συστημάτων με συμβατικά συστήματα θέρμανσης. (Lund et al,2011) 20

50 2 Η γεωθερμία σήμερα Εικόνα Α9 Γεωθερμική αντλία θερμότητας (Πηγή: Σχήμα Α4 Αρχή λειτουργίας αντλίας θερμότητας (Πηγή: 21

51 2 Η γεωθερμία σήμερα Απευθείας θέρμανση χώρων Η χρήση των θερμών νερών συνήθως σε απ ευθείας κύκλωμα ή με απλή εναλλαγή με δευτερεύων κύκλωμα στο εσωτερικό χώρων αποτελεί επίσης μία αρκετά διαδεδομένη τακτική. 27 χώρες παγκοσμίως χρησιμοποιούν τη συγκεκριμένη μέθοδο με την Ισλανδία, την Κίνα, την Τουρκία και τη Γαλλία να είναι οι πρωτοπόροι. (Lund et al,2011) Θέρμανση Θερμοκηπίων Η θέρμανση θερμοκηπίων με γεωθερμική ενέργεια έχει παρουσιάσει μία αύξηση της τάξης του 10% σε εγκατεστημένη ισχύ και 13% σε ετήσια κατανάλωση το 2010 σε σχέση με την καταγραφή που είχε προηγηθεί το Με κύρια προτίμηση σε χαμηλής ενθαλπίας πεδία (<90 ο C) αυτή η πηγή ενέργειας μπορεί να καταστεί ιδανική για τέτοιου είδους εφαρμογές (Popovski, 1993). Επιπλέον οι χώρες που χρησιμοποιούν τη γεωθερμική ενέργεια για τη θέρμανση θερμοκηπίων ανέρχονται στις 34, έναντι 30 που ήταν ο αριθμός την προηγούμενη πενταετία. Οι σημαντικότερες εγκαταστάσεις εντοπίζονται στην Τουρκία, τη Ρωσία, την Ουγγαρία την Κίνα και την Ιταλία. Οι κύριες καλλιέργειες είναι τα λαχανικά και τα άνθη. Παρ όλα αυτά τα τελευταία χρόνια υποστηρίχθηκαν και δενδρικές καλλιέργειες στις ΗΠΑ όπως και οπορωφόρα (μπανανιές) στην Ισλανδία καθώς τα κόστη μειώνονται σημαντικά χάρις το εν λόγω σύστημα. Βέβαια το κόστος της γεωθερμικής ενέργειας δε μπορεί να ληφθεί υπ όψιν ως ενιαία παράμετρος για όλες τις χώρες καθώς εξαρτάται από τη νομοθεσία κάθε κράτους (Boyd & Lund,2003). Η συγκεκριμένη κατηγορία θα αναλυθεί διεξοδικότερα σε ακόλουθο κεφάλαιο. Εικόνα Α10 Θερμοκήπιο στο Κολοράντο των ΗΠΑ θερμαινόμενο με γεωθερμική ενέργεια.(πηγή: 22

52 2 Η γεωθερμία σήμερα Εικόνα Α11 Θερμοκήπια στo Αϊντάχο των ΗΠΑ που θερμαίνονται με γεωθερμική ενέργεια (Πηγή: Geo-Heat Center Oregon Institute of Technology 2005) Θέρμανση υδατοκαλλιεργειών Η θέρμανση υδατοκαλλιεργειών αποτελεί μία εφαρμογή των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής ενθαλπίας. Με την αξιοποίηση της γεωθερμίας για τη θέρμανση του νερού που αναπτύσσονται οι ιχθυοκαλλιέργειες, αντί για την ηλιακή θέρμανση του νερού, μπορεί να επιτευχθεί ανάπτυξη της καλλιέργειας σε μικρότερο χρόνο. Ταυτόχρονα αν η θερμοκρασία του νερού δεν παραμείνει σε ιδανικά επίπεδα χάνεται η ικανότητα των ψαριών να θραφούν καθώς επηρεάζεται ο μεταβολισμός τους (Boyd & Lund, 2003). Αν και ωφέλιμη για τις υδατοκαλλιέργειες, δεν αυξάνεται η συχνότητα χρήσης των συστημάτων αυτών από το 1995, αντιθέτως παρουσίασε κάμψη. Οι λόγοι είναι κυρίως η γενικότερα αργή οικονομική ανάπτυξη των καλλιεργειών που δεν επιτρέπουν την γρήγορη απόσβεση, όπως και η ανάγκη για εξειδικευμένο προσωπικό για τη σχεδίαση και την εγκατάσταση του συστήματος (Lund et al,2011).παρ όλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις όπου η εν λόγω τεχνολογία χρησιμοποιείται, όπως οι ΗΠΑ, η Κίνα και η Ιταλία η Ισλανδία και το Ισραήλ. Τα συστήματα αυτά εφόσον σχεδιασθεί σωστά έχει αποδειχθεί ότι ευνοούν την ανάπτυξη της ιχθυοκαλλιέργειας με χαμηλότερα κόστη σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα ακόμα και με μέτριας εμβέλειας εγκαταστάσεις (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy 2004) Ξήρανση καρπών και άλλων αγροτικών προϊόντων Τα πλεονεκτήματα της χρήσης ενός γεωθερμικού συστήματος θέρμανσης για την ξήρανση προϊόντων περιλαμβάνουν: (α) Την εξάλειψη των κινδύνων πυρκαγιάς,(β) Εξάλειψη του κινδύνου αποχρωματισμού ή μόλυνσης των προϊόντων καθώς απουσιάζουν τα προϊόντα καύσης από το ρεύμα αέρα που χρησιμοποιείται για 23

53 2 Η γεωθερμία σήμερα την ξήρανση. (γ)τέλος η απομάκρυνση των συμβατικών καυσίμων που καθιστούν μεταβλητό το κόστος και είναι περιβαλλοντικά μη αποδεκτά (Lienau & Lund 1997) Σήμερα 13 χώρες παγκοσμίως χρησιμοποιούν την γεωθερμία για την ξήρανση προϊόντων με τις ΗΠΑ, τη Σερβία, την Ισλανδία και χώρες της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής να διαθέτουν τις σημαντικότερες εφαρμογές (Lund et al,2011) Βιομηχανικές εφαρμογές θέρμανσης Υπάρχουν πολλές κατηγορίες βιομηχανιών καθώς και εργασίες που μπορούν να υποστηριχθούν από γεωθερμικά πεδία χαμηλής και μέσης ενθαλπίας. Οι εφαρμογές αυτές παρουσιάζουν ανάπτυξη τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια. Συγκεκριμένα σε διάφορες χώρες τις Ανατολικής Ευρώπης, των Βαλκανίων και της Μεσογείου παρατηρούνται ένα πλήθος εφαρμογών όπως στην τσιμεντοβιομηχανία, σε εμφιαλωτήρια, χαρτοβιομηχανία, αφαλατώσεις κτλ. (Lund et al,2011). Στις περιπτώσεις όπου η θερμοκρασία που βρίσκονται τα γεωθερμικά ρευστά είναι μικρότερη από αυτή που απαιτείται για την εκάστοτε εφαρμογή, είναι δυνατή η χρησιμοποίηση ρευστών που έχουν προθερμανθεί ή να προκληθεί ανύψωση της θερμοκρασίας τους με παρεμβολή αντλιών θερμότητας ή με συμπληρωματική θέρμανση (ακόμα και με συμβατικά καύσιμα). Απαραίτητη προϋπόθεση πάντως για τη χρησιμοποίηση των γεωθερμικών ρευστών από βιομηχανική μονάδα που ήδη υφίσταται είναι η γειτνίαση της τελευταίας με κάποιο γεωθερμικό πεδίο (Πολύζου, 2007) Θερμά νερά και Ιαματικά λουτρά Οι γεωθερμικά θερμαινόμενες πισίνες όπως και τα θερμά λουτρά έχουν κατασκευαστεί σε διάφορα σημεία του κόσμου όπου εντοπίζονται οι γεωθερμικές πηγές. Προορίζονται κυρίως για ψυχαγωγικούς και κοινωνικούς σκοπούς. Η χρήση του γεωθερμικού νερού για τη θεραπεία ή και την πρόληψη των παθήσεων είναι επίσης μια συνηθισμένη πρακτική (εικόνα Α12). Οι σημαντικότεροι παράγοντες που καθιστούν το πεδίο αξιοποιήσιμο είναι η θερμοκρασία του νερού και το ορυκτό περιεχόμενο. Οι πισίνες και τα ιαματικά λουτρά τροφοδοτούνται με ζεστό νερό απευθείας από ένα πεδίο χαμηλής ενθαλπίας. Εάν η χημική σύσταση του νερού είναι ευνοϊκή είναι δυνατή η χρήση του (Kiruja,2011). Τουλάχιστον 67 χώρες έχουν αναφέρει επίσημα τη χρήση τέτοιων θερμών πηγών (Lund et al,2011) Άλλες χρήσεις Υπάρχει ένα πλήθος άλλων εφαρμογών των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής και μέσης ενθαλπίας που δεν καταλαμβάνουν μεγάλο κομμάτι στον παγκόσμιο χάρτη. Τέτοιες είναι Αντιπαγετικά έργα σε δρόμους και πεζοδρόμια (ΗΠΑ, Αργεντινή, Ισλανδία) Αποστείρωση μπουκαλιών 24

54 2 Η γεωθερμία σήμερα Κτηνοτροφικές εφαρμογές Καλλιέργεια Σπιρουλίνας Αφαλατώσεις Οι τέσσερεις τελευταίες κατηγορίες ειδικά αναφέρονται σε 7 χώρες, παγκοσμίως. Εικόνα Α12 Θερμά Λουτρά στην Ισλανδία (Πηγή: 2.7 Γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα Στην Ελλάδα οι γεωλογικές συνθήκες είναι τέτοιες ώστε να δημιουργούνται γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας. Στο χάρτη της εικόνας Α13 φαίνονται τα κυριότερα γεωθερμικά πεδία της ελληνικής επικράτειας. Είναι φανερό ότι υπάρχουν και ορισμένα πεδία υψηλής ενθαλπίας σημαντικής δυναμικότητας. Μάλιστα στην Ευρωπαϊκή ένωση μόνο η Ελλάδα, η Ιταλία και η Πορτογαλία διαθέτουν πεδία υψηλής ενθαλπίας που μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος (Ανδρίτσος και άλλοι,1999). Ο φορέας που έχει την ευθύνη εντοπισμού και έρευνας των πεδίων είναι το ΙΓΜΕ (Ινστιτούτο Γεωλογικών Μελετών), του οποίου η δραστηριότητα ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του Σκοπός του ΙΓΜΕ είναι να εκτιμήσει κατά πόσο το γεωθερμικό πεδίο είναι εκμεταλλεύσιμο. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να συγκεντρώνει ώστε να καταστεί αξιοποιήσιμο αφορούν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του ρευστού καθώς και την ρεαλιστική 25

55 2 Η γεωθερμία σήμερα αποδοτικότητα της γεώτρησης. Αρχικά τα γεωθερμικά πεδία που υπήρξε πρόθεση να εκμεταλλευθούν ήταν εκείνα του ηφαιστειακού τόξου του Νοτίου Αιγαίου. Τα σημαντικότερα εξ αυτών που εντοπίσθηκαν ήταν αυτό της αυτά της Νισύρου και της Μήλου με θερμοκρασία ρευστό μεγαλύτερη των 350 ο C. Ειδικά στη Μήλο το γεωθερμικό πεδίο συγκεντρώνει χαρακτηριστικά που το καθιστούν αξιοποιήσιμο καθώς εκτείνεται σε μεγάλη έκταση (Περίπου 50 km 2 ), ενώ το δυναμικό του θα μπορούσε να φτάσει στα MW. Ως αποτέλεσμα αυτών των χαρακτηριστικών η ΔΕΗ προχώρησε στην κατασκευή μιας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 2MW, ως πιλοτική προσπάθεια. Η αδυναμία δέσμευσης των αερίων που εκλύονταν προκάλεσε τις αντιδράσεις της τοπικής κοινωνίας με συνέπεια να εγκαταλειφθεί η ιδέα κατασκευής μιας μεγαλύτερης μονάδας σε κανένα από τα δύο νησιά, ενώ αποτέλεσε και έναν βασικό παράγοντα για την παύση των ερευνών για πεδία υψηλής θερμοκρασίας με κάποιες ελάχιστες εξαιρέσεις. Παρ όλα αυτά τα γεωθερμικά πεδία τόσο στη Μήλο όσο και στη Νίσυρο μπορούν να καταστούν άμεσα αξιοποιήσιμα και να καλύψουν τουλάχιστον τις τοπικές ανάγκες. Τα υπόλοιπα γεωθερμικά πεδία είναι εντοπισμένα αλλά απαιτούνται γεωτρήσεις βάθους περίπου 1-2,5 km, ώστε να αξιοποιηθούν σε ορίζοντα εφταετίας (Μενδρινός & Καρύτσας 2010) Το νομοθετικό πλαίσιο που ισχύει στην Ελλάδα για τα γεωθερμικά πεδία με θερμοκρασίες ρευστού μεγαλύτερες των 90 0 C, διαφοροποιείται σε σχέση με εκείνο των μικρότερων θερμοκρασιών όσον αφορά την αρμόδια αρχή. Στην περίπτωση αυτή είναι το Υπουργείο Ανάπτυξης. Οι σχετικές παραχωρήσεις για έρευνα γεωθερμικού δυναμικού έχουν συγκεκριμένο χρονικό ορίζοντα. Γίνεται ανάθεση για 5 έτη με δικαίωμα παράτασης 2 ακόμη ετών. Η εκμετάλλευση του πεδίου μπορεί να διαρκέσει 25 έτη με δυνατότητα παράτασης για άλλα 5 έτη. Ο εκμισθωτής του γεωθερμικού δυναμικού καταβάλλει μίσθωμα στο Ελληνικό δημόσιο ίσο με 5-10% της ισοδύναμης αξίας του φυσικού αερίου. Σε περίπτωση που έχουν αναπτυχθεί γεωθερμικές υποδομές και από κρατικούς φορείς προβλέπεται και πάγιο μίσθωμα. Το Υπουργείο Ανάπτυξης είναι αρμόδιο για τη χορήγηση αδειών ηλεκτροπαραγωγής από γεωθερμική ενέργεια. Πρέπει να προηγηθεί δημόσιος διαγωνισμό και αξιολόγηση των προσφορών από τη Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας. Στη συνέχεια υπογράφεται σύμβαση μεταξύ του εκμισθωτή του πεδίου και του ηλεκτροπαραγωγού. Ο εκμισθωτής του γεωθερμικού δυναμικού δικαιούται να πουλάει θερμική ενέργεια μέσω δικτύου τηλεθέρμανσης. Η σχετική άδεια διανομής θερμικής ενέργειας χορηγείται από το Υπουργείο Ανάπτυξης αφού υπάρχει σχετική συγκατάθεση της Ρυθμιστικής Αρχής Ενέργειας. Ανάλογα με τη κρίση του Υπουργείου, είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί και για την περίπτωση αυτή πλειοδοτικός διαγωνισμός (ΚΑΠΕ 2006) Το ΙΓΜΕ προχώρησε και σε μελέτες που αφορούσαν πεδία χαμηλής ενθαλπίας, εντοπίζοντας και αξιοποιώντας από τότε ένα μεγάλο αριθμό. Τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας βρίσκονται διάσπαρτα στην ελληνική επικράτεια όπως φαίνεται και στον χάρτη της εικόνας Α13. Η συνολική διαθέσιμη ισχύς υπολογίζεται στα 700MW, ενώ έχουν επιβεβαιωθεί τα 300MW. Τα σημαντικότερα φαίνονται στον 26

56 2 Η γεωθερμία σήμερα πίνακα Α3. Νομοθετικά υπάρχει σημαντική διαφορά στην αξιοποίηση πεδίων με θερμοκρασίες ρευστών κάτω των 25 ο C. Στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται εκμίσθωση αλλά σχετική άδεια από τις περιφέρειες (ΚΑΠΕ 2006) Η αξιοποίηση των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής και μέσης ενθαλπίας έχει προχωρήσει σε αρκετές περιπτώσεις. Από τις δυνατές εφαρμογές οι κυριότερες είναι η θέρμανση θερμοκηπίων και κτιρίων. Εν τούτοις παρατηρούνται και άλλες εφαρμογές όπως ξήρανση αγροτικών προϊόντων, καλλιέργεια σπιρουλίνας, υδατοκαλλιέργειες και ιαματικά λουτρά. Εικόνα Α13 Κατανομή γεωθερμικών πεδίων στην ελληνική επικράτεια (Πηγή:ΙΓΜΕ) 27

57 2 Η γεωθερμία σήμερα Περιοχή Έκταση (km 2 ) Θερμοκρασία ( o C) Βάθος (m) Παροχή (m 3 /h) Γεωγραφικό Διαμέρισμα Άγκιστρο Σιδηρόκαστρο Ηράκλεια Νιγρήτα Λαγκαδάς Ανθεμούντας > Ελαιοχώρι Σάνη/ Άφητος ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ Αρίστηνο Σάππες 3 & Λίμνη Μητρικού Ν.Κεσσάνη >300 Μάγγανα Ερατεινό Ακροπόταμος ΑΝΑΤΟΛΙΚΗ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ & ΘΡΑΚΗ Σουσάκι ΠΕΛΛΟΠΟΝΗΣΟΣ Συκιές Άρτας > ΗΠΕΙΡΟΣ Άργενος Στύψη Πολύχνιτος Νενήτες Β.ΑΙΓΑΙΟ Σαντορίνη Ν.ΑΙΓΑΙΟ Μήλος Πίνακας Α3 Γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα (Πηγή στοιχείων: ΙΓΜΕ) 28

58 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. 3.Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές 3.1Τεχνικές χρήσης της γεωθερμίας σε αγροτικές εφαρμογές Άμεση θέρμανση χώρων Γενική περιγραφή Η άμεση θέρμανση χώρων στον αγροτικό τομέα δεν διαφοροποιείται σημαντικά σε σχέση με τον κτιριακό. Οι θερμοκρασίες που απαιτούνται είναι από 60 0 C-90 0 C, ανάλογα με την εφαρμογή. Ουσιαστικά γίνεται εκμετάλλευση κάποιου πεδίου μέσης ή χαμηλής ενθαλπίας κοντά στην περιοχή που βρίσκονται οι εγκαταστάσεις. Τα συστήματα άμεσης θέρμανσης χώρων είναι δύο τύπων. Τα συστήματα ανοιχτού βρόχου όπου ουσιαστικά είναι ένα μονοσωλήνιο σύστημα που διοχετεύει το θερμό νερό απευθείας στα θερμαντικά σώματα. Στα κλειστού βρόχου παρεμβάλλεται εναλλάκτης. Τα δεύτερα είναι και τα δημοφιλέστερα καθώς αποφεύγεται η άμεση χρήση του γεωθερμικού ρευστού, του οποίου η σύσταση μπορεί να οδηγήσει σε φθορά των εγκαταστάσεων. Η απόρριψη του ρευστού και στις δύο περιπτώσεις πραγματοποιείται σε φρεάτιο- ενώ συνήθως τα συστήματα υποστηρίζονται από θερμαντήρα συμβατικού καυσίμου για την κάλυψη φορτίων αιχμής (Goldstein, et al, 2011). Σε περίπτωση που είναι απαραίτητος και ο δροσισμός του χώρου κατά τους θερινούς μήνες χρησιμοποιείται γεωθερμική αντλία θερμότητας ώστε να αντιστρέφεται η διαδικασία. Η χρήση γεωθερμίας για θέρμανση κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων υπάγεται ουσιαστικά στην τάση που υπάρχει για ελεγχόμενη πλέον κτηνοτροφική παραγωγή. Το θερμό νερό από τις γεωτρήσεις σε μία τέτοια εφαρμογή έχει πολλαπλές χρήσεις, καθώς εκτός από τον κλιματισμό του χώρου μπορεί να αξιοποιηθεί για αποστείρωση των εγκαταστάσεων, παστερίωση καθώς και ξήρανση των λυμάτων που χρησιμοποιούνται για παραγωγή βιοαερίου (Lund,2010) Συνοπτικά η θέρμανση χώρων εστιάζεται: Στη θέρμανση κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων Στη θέρμανση αποθηκευτικών χώρων Παραδείγματα εφαρμογών Στο Οντάριο αρκετοί κτηνοτρόφοι θερμαίνουν τις σταβλικές εγκαταστάσεις με γεωθερμικά συστήματα άμεσης θέρμανσης, η προσπάθεια όμως θεωρείται ακόμα υπό ανάπτυξη. ( Αντίστοιχα παραδείγματα εντοπίζονται στην Νέα Ζηλανδία σε περιοχές όπου υφίστανται γεωθερμικά πεδία και οι κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις περιλαμβάνονται σε συστήματα τηλεθέρμανσης (CRL Energy,East Harbour Energy Ltd 2011) 29

59 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Από τον Απρίλιο του 1992, η γεωθερμική ενέργεια των περίπου 180 MWt που ήταν εγκατεστημένη στην Ιαπωνία χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων και για θέρμανση κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων (IGA 1993) Μία από τις πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις εντοπίζεται στην νότια Ουγγαρία στο Ζέντες, όπου υπάρχει γεωθερμικό πεδίο που αξιοποιείται από το 1964 για διάφορες εφαρμογές μεταξύ αυτών και αγροτικές. Το πεδίο διαθέτει ένα δυναμικό 14 πηγών με βάθος που κυμαίνεται από m και βρίσκεται περίπου 3-4km ανατολικά των εγκαταστάσεων. Εκτός από κτίρια αστικής χρήσης θερμαίνονται και εκτροφεία κτηνοτροφικής χρήσης. Κάθε χρόνο εκτρέφονται πουλερικά, αιγοπρόβατα και βοοειδή. (Lund 1990) Τεχνική περιγραφή Η τεχνολογία που απαιτούν τα συγκεκριμένα συστήματα είναι πλήρως ανεπτυγμένη καθώς είναι προγενέστερη και πιο απλή συνολικά της εφαρμογής με αντλία θερμότητας. Οι ακόλουθοι παράγοντες πρέπει να επικρατούν ώστε να είναι υλοποιήσιμο ένα τέτοιο σύστημα: 1. Το γεωθερμικό δυναμικό: Θα πρέπει πριν πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε εργασία εγκατάστασης να ερευνηθεί η θερμοκρασία και ο όγκος της πηγής. Σημαντικό ρόλο, όσον αφορά την αποτίμηση της αποδιδόμενης ενέργειας, παίζει η ροή του ρευστού καθώς έχει διαπιστωθεί ότι ακόμα και πηγές υψηλότερων θερμοκρασιών αν δε διαθέτουν τον κατάλληλο όγκο και ροή ενδέχεται να αποδίδουν τελικά μικρότερη ισχύ. (Gudmundsson & Lund,1985) 2. Να γίνει συγκεκριμένη μελέτη για τις εφαρμογές που θα εγκατασταθούν καθώς η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών είναι σταθερή και συνήθως μικρότερη των C. Αυτό δεν τα καθιστά ευέλικτα ως προς τη διαχείριση τους σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα που κατά την καύση τους φτάνουν και θερμοκρασίες άνω των C δίνοντας εν συνεχεία θερμοκρασίες θερμού νερού διαφόρων επιπέδων. Έτσι θα πρέπει να επιλεγούν εφαρμογές που μπορεί να υποστηρίξει το πεδίο- διαφορετικά το σύστημα μπορεί να καταστεί μη βιώσιμο (Gudmundsson & Lund,1985;Reistad,1975). 3. Η τοποθεσία του πεδίου στην περίπτωση της άμεσης θέρμανσης δεν έχει ξεκάθαρη σημασία- υπό την έννοια ότι τα οικονομικά δεδομένα είναι εκείνα που καθορίζουν την βιωσιμότητα μιας πηγής που ενδεχομένως να είναι απομακρυσμένη από την περιοχή χρήσης. Για παράδειγμα στην Ισλανδία που η θέρμανση είναι απαραίτητη κατά το μεγαλύτερο διάστημα του έτους είναι δυνατή η χρήση απομακρυσμένων πηγών. Σίγουρα είναι καλύτερο να βρίσκεται η πηγή επί τόπου στα σημεία χρήσης ή αρκετά κοντά. (Gudmundsson & Lund,1985) 4. Η ορθή επιλογή του εξοπλισμού, αποτελεί έναν ακόμα παράγοντα που όμως σήμερα είναι σχετικά μειωμένου ρίσκου καθώς η τεχνολογία είναι γνωστή και 30

60 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. ανεπτυγμένη. Συγκεκριμένα απαιτείται σωστή γεώτρηση, επιλογή σωλήνων με υλικά που να μη φθείρονται ή τουλάχιστον να έχουν τη μεγαλύτερη αντοχή στα συστατικά των γεωθερμικών ρευστών. Εν τέλει ο εναλλάκτης θερμότητας και το σύστημα διανομής πρέπει να ταιριάζει με την εφαρμογή Επεξεργασία αγροτικών και κτηνοτροφικών προϊόντων Γενική περιγραφή Η κατηγορία αυτή είναι σαφώς πιο διαδεδομένη από εκείνη που αναλύθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Οι πρώτες μονάδες ξήρανσης εμφανίστηκαν στις δεκαετίες του 60 και του 70 στην Ισλανδία και τη Νέα Ζηλανδία (European Geothermal Energy Council 2003).Η αποξήρανση προϊόντων αγροτικής παραγωγής αλλά και κτηνοτροφικής είναι μία αρκετά παλαιά τεχνική. Στα αγροτικά προϊόντα στόχος είναι να απομακρυνθεί με αργούς ρυθμούς η υγρασία από καρπούς και λαχανικά σε ένα ποσοστό μικρότερο του 20% (European Geothermal Energy Council 2003). Τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής και μέσης ενθαλπίας μπορεί να αποδειχθούν αξιόπιστες πηγές ενέργειας για μία τέτοια διαδικασία. Η συνηθέστερη πρακτική μέχρι σήμερα ήταν και εξακολουθεί να είναι η ξήρανση με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας. Παρόλο που χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές η ξήρανση με διοχέτευση αέρα σε θαλάμους που βρίσκονται ωμά λαχανικά ή καρποί αποτελεί την πιο διαδεδομένη τεχνική. Μάλιστα η αποξήρανση κρεμμυδιών και σκόρδων αποτελεί την μεγαλύτερη βιομηχανική εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας (Fischer et al,2006) Παραδείγματα εφαρμογών Η επεξεργασία αγροτικών και κτηνοτροφικών προϊόντων αποτελεί μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας. Μεταξύ άλλων υπάρχουν μονάδες αποξήρανσης καρπών και λαχανικών (κρεμμύδια, σκόρδα, τομάτες, ανανάς, μπανάνες, σιτάρι, ινδική καρύδα. Ακόμα χρησιμοποιείται για την αποξήρανση ψαριών, την παστερίωση γάλακτος, την επεξεργασία μελιού καθώς και διαδικασίες επεξεργασίας κτηνοτροφικών προϊόντων και υποπροϊόντων. (Kiruja, 2011;Andritsos et al, 2003;Arason, 2003;Lund, 2003) Το Ελκο της Νεβάδα αποτελεί μία εκ των πρωτοπόρων στις εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας. Το 1978 λειτούργησε η πρώτη μονάδα επεξεργασίας τροφίμων της περιοχής με την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας και αφορούσε την αποξήρανση καρπών και λαχανικών επικεντρώνοντας κυρίως στα κρεμμύδια και τα σκόρδα. Έκτοτε πάνω από 11,3 εκατομμύρια κιλά προϊόντων αποξηραμένων κρεμμυδιών και σκόρδων παράγονται ετησίως (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy 2004). Υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής διαφόρων προϊόντων σε διάφορα μεγέθη μέχρι και σε μορφή σκόνης. Το τελικό ποσοστό υγρασίας δεν ξεπερνά το 5%. Το γεωθερμικό ρευστό χρησιμοποιείται τόσο για την διαδικασία ξήρανσης όπως και για να καλύψει τις θερμικές ανάγκες των εγκαταστάσεων. Η αρχική υγρασία των 31

61 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. κρεμμυδιών κυμαίνεται στο 50% και μέσω της διαδικασίας αποξήρανσης φτάνει μέχρι και στο 3,5%. Η διαδικασία αποξήρανσης πραγματοποιείται σε ένα διάδρομο μήκους 58 μέτρων(us Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy 2004). Εικόνα Α14 Διαδικασία αποξήρανσης για κρεμμύδια και σκόρδα στη Νεβάδα των ΗΠΑ με τη χρήση γεωθερμικού πεδίου (Πηγή:U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy 2004) Μία δεύτερη μεταγενέστερη μονάδα για την αποξήρανση κρεμμυδιών και σκόρδων λειτούργησε στις ΗΠΑ από το 1994 στην έρημο Σαν Εμίδο στην περιοχή της Νεβάδα παράγοντας σχεδόν 10 εκατομμύρια κιλά αποξηραμένων προϊόντων κρεμμυδιών και σκόρδων με ποσοστό 60% κρεμμύδια και 40% σκόρδα. Η μονάδα αποτελείται από έναν απλό μεταφορέα και αξιοποιεί 13 MW θερμικής ενέργειας προερχόμενες από το γεωθερμικό πεδίο (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable Energy 2004). Μία πιλοτική εγκατάσταση 1ΜW, λειτουργεί στις Φιλιππίνες. Σκοπός της είναι η αποξήρανση ινδικής καρύδας, δημητριακών και προϊόντων αλιείας. Εκτείνεται σε μία έκταση 650 m 2 και αποτελείται από δύο ξηραντήρια ικανά να καλύψουν φορτίο 7 τόνων ημερησίως (Lienau & Lund,2003). Στην Ελλάδα αναφέρεται μία πιλοτική μονάδα ξήρανσης τομάτας στην Ξάνθη. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας προσεγγίζει την ποιότητα της λιαστής τομάτας, διατηρώντας το χρώμα, το άρωμα και τα θρεπτικά συστατικά του καρπού με τον ίδιο τρόπο που επιτυγχάνεται μέσω της ηλιακής ενέργειας. Η γεωθερμική πηγή εντοπίζεται 1400 μέτρα δυτικά της εγκατάστασης. Η αξιοποίηση πραγματοποιείται με έναν εναλλάκτη θερμότητας, που με τη βοήθεια ανεμιστήρα διοχετεύει το θερμό αέρα στο χώρο της διαδικασία ξήρανσης. Η διαδικασία απεικονίζεται στο σχήμα Α5. Το τούνελ ξήρανσης έχει μήκος 14 μέτρων και οι τομάτες τοποθετούνται σε μεταλλικά 32

62 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. πάνελ και μεταφέρονται πάνω σε ταινιομεταφορέα (εικόνα Α15). Η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή 400kg λιαστής τομάτας σε 30 ώρες περίπου.(andritsos et al, 2003). Σχήμα Α5 Αρχή λειτουργίας συστήματος αποξήρανσης τομάτας στην περιοχή της Ξάνθης (Πηγή: Andritsos et al,2003) 33

63 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α15 Σύστημα μεταφοράς τομάτας στο ξηραντήριο. (Πηγή: Andritsos et al, 2003) Στην Κένυα στην περιοχή κοντά στη Λίμνη Βονγκόρια βρίσκεται ένα αξιόλογο γεωθερμικό πεδίο που χρησιμοποιείται για μία σειρά εφαρμογών, μεταξύ άλλων και κτηνοτροφικές- αγροτικές. Η περιοχή είναι κατεξοχήν αγροτική και υπάρχει έντονη δραστηριότητα γύρω από την κτηνοτροφία. Η εκμηχάνιση των διαδικασιών είχε ως επακόλουθο την αξιοποίηση της ενέργειας που παρέχει το πεδίο ώστε να καταστεί βιώσιμη η συνέχιση της κτηνοτροφίας από οικονομική σκοπιά. Οι κυριότερες εργασίες που αναφέρονται είναι: Η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για την παραγωγή θερμού νερού που αξιοποιείται στην επεξεργασία δέρματος Η παραγωγή θερμού νερού για καθαρισμό των εγκαταστάσεων Η χρήση του γεωθερμικού ρευστού για την συντήρηση του κρέατος σε ψυκτικούς θαλάμους με τη βοήθεια αντλίας θερμότητας Τέλος στην ίδια περιοχή η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται και για την επεξεργασία μελιού στην οποία απαιτείται μηχανική και θερμική ενέργεια- όπως και ψύξη στο τέλος της διαδικασίας. Η θερμότητα από το τοπικό γεωθερμικό πεδίο είναι σχετικά φθηνή και ευνοεί τη βιωσιμότητα της διαδικασίας (Kiruja,2011). 34

64 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Στον κτηνοτροφικό τομέα είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί και παστερίωση γάλακτος με τη βοήθεια θερμού νερού που προέρχεται από γεωθερμική πηγή. Η περίπτωση στο Όρεγκον των ΗΠΑ είναι χαρακτηριστική. Η πηγή βάθους 233 μέτρων παρέχει στη διαδικασία θερμό νερό θερμοκρασίας 87 0 C, που με τη βοήθεια εναλλάκτη ανεβάζει τη θερμοκρασία του γάλακτος από τους 3 0 C στους 78 0 C σε πολύ μικρό χρόνο. Η υπόλοιπη διαδικασία είναι παρόμοια με τη συμβατική διαδικασία παστερίωσης (Σχήμα Α6). (Lund,2003). Σχήμα Α6 Αρχή λειτουργίας μονάδας παστερίωσης γάλακτος στις ΗΠΑ (Πηγή: Lund, 2003) Τέλος αρκετά διαδεδομένη είναι και η αποξήρανση ψαριών σε χώρες όπως η Ισλανδία με σημαντικό γεωθερμικό δυναμικό. Στην Ισλανδία η παραγωγή αποξηραμένων ψαριών αποτελεί σημαντικό κλάδο της αγροτικής βιομηχανίας καθώς αριθμεί περίπου 50 εταιρίες που εξειδικεύονται στο συγκεκριμένο τομέα με ετήσια παραγωγή προϊόντος- 2 εκατομμύρια τόνους. Η ξήρανση σε κλειστό εσωτερικό χώρο συγκεντρώνει πολλά πλεονεκτήματα και ουσιαστικά απαιτεί τη χρήση ατμού, κάτι που είναι εφικτό στην Ισλανδία βάσει του γεωθερμικού δυναμικού (Arason,2003). Στο σχήμα Α7 φαίνεται ένας τυπικός ξηραντήρας που χρησιμοποιείται για τις εφαρμογές αυτές. Τα βασικά πλεονεκτήματα ξήρανσης προϊόντων αλιείας με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας σε κλειστό χώρο είναι : Ο περιορισμός του χρόνου ξήρανσης Η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιείται καθ όλη τη διάρκεια του έτους προσεγγίζοντας τα χαρακτηριστικά μιας σύγχρονης γραμμής παραγωγής 35

65 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Καλύτερη ποιότητα του τελικού προϊόντος λόγω των ελεγχόμενων συνθηκών. Έτσι επιτυγχάνονται πιο σταθερά και ελεγχόμενα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Καθαρότερο περιβάλλον και απουσία εντόμων Αξιοποίηση τοπικών πηγών ενέργειας Σχήμα Α7 Γεωθερμικό ξηραντήριο ψαριών στην Ισλανδία (Πηγή: Arason,2003) Τεχνική περιγραφή Το γεωθερμικό ρευστό αντλείται από την πηγή σε συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Ακολουθεί μία διαδικασία συμπίεσης ώστε να είναι σίγουρη η διατήρηση του σε υγρή κατάσταση και ελεγχόμενης πίεσης και θερμοκρασίας. Στη συνέχεια το θερμό νερό μέσω σωληνώσεων διέρχεται από την παροχή (σε έναν εναλλάκτη θερμότητας αέρα-νερού) του αέρα θερμαίνοντας τον στα επιθυμητά επίπεδα. Συνήθως οι καρποί ή τα λαχανικά μεταφέρονται μέσω κάποιου τύπου μεταφορέα, συνήθως ταινιομεταφορέα που επιτρέπει όμως τη διέλευση του αέρα. Η θερμοκρασία του αέρα μπορεί να φτάσει από 40 0 C C. Συνήθως είναι απαραίτητη και η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία των ανεμιστήρων που παροχετεύουν τον θερμό αέρα (Kiruja,2011;US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy, 2004;European Geothermal Energy Council, 2003) Θέρμανση μονάδων ιχθυοκαλλιέργειας Γενικά Η υποστήριξη συστημάτων θέρμανσης ιχθυοκαλλιέργειας από γεωθερμική ενέργεια εμφανίστηκαν από τη δεκαετία του 70. Στις ΗΠΑ είναι αρκετά διαδεδομένα συστήματα με 49 εφαρμογές σε 12 πολιτείες- ενώ και στον υπόλοιπο κόσμο 36

66 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. εντοπίζονται αντίστοιχα εγχειρήματα σε 16 χώρες. Αποτελεί μία από τις πιο κοινές χρήσεις αξιοποίησης γεωθερμικών πεδίων καθώς είναι αρκετά απλή στην εγκατάσταση, ενώ έχει διαπιστωθεί ότι μπορεί να υποστηρίξει την εκτροφή πολλών ειδών (Boyd,2005). Το κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι ότι θερμαίνουν πολύ φθηνότερα την εγκατάσταση σε σχέση με ένα σύστημα θέρμανσης συμβατικών καυσίμων. Το νερό στην κατάλληλη θερμοκρασία μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένη ανάπτυξη των ψαριών και συνεπώς σε καλύτερη παραγωγή (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy, 2004).Μάλιστα ανάλογα με το είδος έχει διαπιστωθεί ότι η ελεγχόμενη θερμοκρασία σε μία υδατοκαλλιέργεια μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της παραγωγής από 50%-100%. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα της Χαβάης όπου σε καλλιέργεια γαρίδας η περίοδος ανάπτυξης περιορίστηκε στους 9 μήνες από τους 12 που ήταν συνήθως λόγω της διατήρησης της θερμοκρασίας στους 27 0 C καθ όλη τη διάρκεια του έτους (Gudmundsson & Lund,1985). Πολλά είδη εκτρέφονται σήμερα σε μονάδες υδατοκαλλιέργειας που θερμαίνονται με γεωθερμική ενέργεια όπως χέλια, λαβράκια, γατόψαρα, τσιπούρες, πέστροφες, σολομοί- αλλά και πιο σπάνια είδη όπως θαλάσσια μαλακοστρακοειδή αλλά και ερπετά (αλιγάτορες) Παραδείγματα εφαρμογών Στο Αϊντάχο των ΗΠΑ βρίσκεται μία από τις πρώτες μονάδες ιχθυοκαλλιέργειας που αξιοποίησαν την γεωθερμική ενέργεια για θέρμανση. Στο ιχθυοτροφείο αναπτύσσονται πέρκα και γατόψαρα κυρίως αλλά και άλλα είδη. Η περιοχή διαθέτει θερμές πηγές με τη θερμοκρασία του νερού να φτάνει τους 35 0 C. Πραγματοποιώντας ανάμιξη με καθαρό νερό πηγής δημιουργούνται οι ιδανικές συνθήκες για την ανάπτυξη των παραπάνω ειδών. Το κλίμα της περιοχής είναι αρκετά ψυχρό και απώλεια των θερμών πηγών θα ήταν αδύνατη η συνεχής παραγωγή. Ουσιαστικά σε μία περιοχή ακατάλληλη για την καλλιέργεια ψαριών, δημιουργήθηκαν οι συνθήκες για παραγωγή καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Σήμερα στη συγκεκριμένη περιοχή εκτρέφονται και αλιγάτορες με τη βοήθεια των θερμών πηγών- σε αντίθετη περίπτωση η επιβίωση τους σ αυτά τα νερά θα ήταν αδύνατη (εικόνα Α16). Η δυνατότητα που δίδεται ακόμα και για καλλιέργεια σπάνιων ειδών όπως αλιγάτορες σε εντελώς εχθρικά κλίματα για το είδος τους είναι εντυπωσιακή.(εικόνα Α17) (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy, 2004). Μία από τις μεγαλύτερες μονάδες παραγωγής τιλάπια, ενός είδους πέρκας βρίσκεται στο Άνιμας στο Νέο Μεξικό στις ΗΠΑ. Η παραγωγή αγγίζει τα 4-7 εκατομμύρια ψάρια ετησίως (US Department of Energy-Energy efficiency and Renewable energy, 2004). Στην Ιαπωνία αναφέρεται η εκτροφή κυπρίνου και χελιού με τη βοήθεια γεωθερμικού ρευστού θερμοκρασίας 23 0 C. Πραγματοποιείται ανάμιξη του θερμού νερού με το νερό ποταμού που βρίσκεται κοντά στη μονάδα. Η μονάδα είναι σχετικά μικρή παρ όλα αυτά και παράγει 4 τόνου ετησίως.(lund,2002) 37

67 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α16 Γεωθερμική μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας ΗΠΑ(Πηγή: U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy 2004) Στο Ορμπετέλλο της Ιταλίας, μία παραλίμνια πόλη της Τοσκάνης- βρίσκεται ένα εκ των μεγαλύτερων εγχειρημάτων ιχθυοκαλλιέργειας με γεωθερμική υποστήριξη στην Ιταλία. Συγκεκριμένα λειτουργούν τέσσερεις μονάδες, παράγοντας μεγάλη ποικιλία ψαριών. Η ετήσια παραγωγή φτάνει τους 900 τόνους. Η αξιοποίηση του πεδίου πραγματοποιείται με 45 γεωτρήσεις 100 μέτρων βάθους η κάθε μία. Το νερό φτάνει στην επιφάνεια σε θερμοκρασία μέσης τιμής 21 0 C. Η αξιοποίηση του θερμού νερού σε σχέση με το νερό της λίμνης που έχει θερμοκρασία 15 0 C επιφέρει εξοικονόμηση τόνων πετρελαίου ανά έτος, καθώς θα απαιτούνταν η θέρμανση του για να φτάσει στα επιθυμητά επίπεδα (Carella & Sommaruga,2000). Μία από τις πιο επιτυχημένες μονάδες βρίσκεται στην Καλιφόρνια. Το θερμό νερό της πηγής που βρίσκεται στους 40 0 C, αναμιγνύεται με κρύο νερό ώστε να επιτευχθεί η ιδανική θερμοκρασία των 27 0 C. Το παραγόμενο προϊόν είναι κυρίως το γατόψαροαποφέροντας σημαντικά οικονομικά οφέλη στην τοπική κοινωνία(lund,2002). Στη Νέα Ζηλανδία το 1980, κατασκευάστηκε μια μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας που αξιοποιεί τη γεωθερμική ενέργεια που απορρίπτεται από εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής. Στις δεξαμενές εκτρέφονται γαρίδες, σε νερό που διατηρείται στους 24 0 C. Η ετήσια παραγωγή φτάνει τους 30 τόνους(lund,2002) Τεχνική περιγραφή Η υποστήριξη των ιχθυοκαλλιεργειών με γεωθερμικά ρευστά μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο βασικούς τρόπους. 1. Με απευθείας διοχέτευση του ρευστού στις δεξαμενές που εκτρέφονται τα είδη 38

68 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. 2. Με έμμεση θέρμανση του νερού (Πολύζου,2007) Στην πρώτη περίπτωση πρέπει να ελεγχθεί η σύσταση του γεωθερμικού ρευστού. Σε περίπτωση που δεν περιέχει συστατικά που ενδεχομένως βλάψουν τα αναπτυσσόμενα είδη ή το περιβάλλον, μπορεί να πραγματοποιηθεί απ ευθείας ανάμιξη. Η δεύτερη περίπτωση μπορεί να συμπεριληφθεί σε μία από τις τεχνικές που έχουν ήδη αναλυθεί ήδη, δηλαδή να θερμανθεί το νερό μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Μία άλλη τεχνική που θα αναλυθεί παρακάτω είναι με τη χρήση γεωθερμικής αντλίας θερμότητας. Φυσικά οι δύο τελευταίες τεχνικές που αναφέρονται είναι σαφώς πιο ακριβές καθώς εκτός από τη γεώτρηση απαιτούν και επιπλέον εξοπλισμό.(rafferty et al,2005) Εικόνα Α17 Αλιγάτορες σε εκτροφείο στις ΗΠΑ θερμαινόμενο με γεωθερμική ενέργεια. (Πηγή:Battocleti et al,2006) Κλιματισμός θερμοκηπίων με γεωθερμία Γενικά Η θέρμανση θερμοκηπίων με γεωθερμία είναι μία ευρέως διαδεδομένη πρακτική παγκοσμίως. Εφαρμογές αυτού του τύπου εντοπίζονται από τον 17 ο αιώνα, αλλά συστηματικά μετά την εμφάνιση του πλαστικού (Μαρτζοπούλου,1994). Επειδή το θέμα της διατριβής αφορά τη θέρμανση θερμοκηπίου θα γίνει μία εκτενέστερη ανάλυση αυτής της ενότητας σε σχέση με τις προηγούμενες του ίδιου κεφαλαίου επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον κυρίως στο κομμάτι του ενεργειακού σχεδιασμού ενός θερμοκηπίου. Ο δροσισμός των θερμοκηπίων αν και αφορά σημαντικό κομμάτι σε αρκετές περιοχές και μπορεί να υποστηριχθεί από την αβαθή γεωθερμία δεν έχει 39

69 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. αναπτυχθεί έντονα κυρίως λόγω κόστους και των πολύπλοκων αναγκών της καλλιέργειας Το σύστημα θερμοκήπιο Ως Θερμοκήπιο ορίζεται ένας χώρος που καλύπτεται με διαφανή υλικά και το περιβάλλον του χώρου αυτού είναι δυνατόν να ελεγχθεί με τον κατάλληλο ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνονται οι κατάλληλες συνθήκες για την ανάπτυξη καλλιεργειών. Αποτέλεσμα της κατασκευής ενός θερμοκηπίου είναι η επίτευξη καλλιεργειών υψηλών αποδόσεων τόσο σε ποσότητα όσο και σε ποιότητα και μάλιστα σε εποχές που υπό φυσιολογικές συνθήκες η καλλιέργεια δε θα απέδιδε. Αυτό συνεπάγεται με οικονομικό πλεονέκτημα για τον παραγωγό (Μαρτζοπούλου,1994). Ουσιαστικά τέσσερεις βασικοί παράγοντες είναι εκείνοι που διαμορφώνουν τις συνθήκες στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. 1. Οι ιδιότητες της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος του ήλιου έχει την ιδιότητα να διαπερνά το πλαστικό ή το γυαλί και να εισέρχεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου πρακτικά χωρίς απώλειες ενέργειας. Στη συνέχεια αυτή η ακτινοβολία απορροφάται από το έδαφος, τα φυτά και άλλα αντικείμενα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Τα στοιχεία του χώρου θερμαίνονται με αποτέλεσμα να εκπέμπουν αυτά ακτινοβολία σε διαφορετικό φάσμα όμως- αυτό της υπέρυθρης. Αυτή η ακτινοβολία δεν έχει τη δυνατότητα να διαπεράσει τα υλικά κάλυψης και εγκλωβίζεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ανταλλαγή θερμικής ενέργειας από το εσωτερικό προς το εξωτερικό του θερμοκηπίου. Έτσι παρατηρείται μία σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό περιβάλλον του θερμοκηπίου. 2. Ο αέρας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου είναι φυσικά στάσιμος 3. Η μάζα των αναπτυσσόμενων φυτών διαφέρει σε σχέση με αυτά που αναπτύσσονται στο εξωτερικό περιβάλλον 4. Στη διαμόρφωση του περιβάλλοντος συνήθως συμμετέχουν μηχανικά μέσαγια τη θέρμανση, τον αερισμό αλλά και τον έλεγχο των διαδικασιών. (Popovski,2002) O πρώτος παράγοντας που αναφέρεται αποτελεί μία αποτύπωση του φαινομένου του θερμοκηπίου- πάνω στο οποίο βασίζεται η λειτουργία του θερμοκηπίου. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι φορέας υψηλών ποσοτήτων ενέργειας με μέση τιμή 1400W/m 2. Το μήκος κύματος της έχει τιμές από 0,3-3μ και χαρακτηρίζεται ως ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία πέσει πάνω σε κάποιο αντικείμενο, επιφάνεια κτλ, ένα μέρος της απορροφάται ενώ το υπόλοιπο ανακλάται. Κατά την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας παρατηρείται άνοδος της θερμοκρασίας του 40

70 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. σώματος που συνεπάγεται με αύξηση της θερμικής του ενέργειας. Το σώμα με τη σειρά του από τη στιγμή που έχει θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν ακτινοβολεί. Βάσει του νόμου του Wien (λmax*t=c3) όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του εκπεμπόμενου κύματος. Εύκολα γίνεται κατανοητό ότι στην περίπτωση του Ήλιου η πολύ μεγάλη θερμοκρασία συνεπάγεται με πολύ μικρό μήκος κύματος, αντίθετα στην περίπτωση της γης ή αντικειμένων και επιφανειών πάνω σ αυτή το εκπεμπόμενο μήκος κύματος διαπιστώθηκε ότι κυμαίνεται στην περιοχή των κυμάτων μεγάλου μήκους (Μαρτζοπούλου,1994). Τα υλικά κάλυψης του θερμοκηπίου έχουν την ιδιότητα να επιτρέπουν τη διέλευση των ακτινοβολιών μικρού μήκος, ενώ των μεγάλου μήκους δεν είναι διαπερατά από το εσωτερικό. Έτσι επιτυγχάνεται η διαμόρφωση των συνθηκών του θερμοκηπίου με τον εγκλωβισμό της θερμικής ενέργειας στο εσωτερικό. Η ανάπτυξη των φυτών απαιτεί συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας. Κάτω από μία κρίσιμη θερμοκρασία τα φυτά είναι αδύνατο να αναπτυχθούν. Η διατήρηση της θερμοκρασίας σε επιθυμητά επίπεδα τους χειμερινούς μήνες ιδιαίτερα τις νυχτερινές ώρες είναι αδύνατο να επιτευχθεί μόνο μέσω του φαινομένου του θερμοκηπίου. Απαιτείται η υποστήριξη του εσωτερικού του περιβάλλοντος με μηχανικά μέσα. Η τεχνητή θέρμανση των θερμοκηπίων δε διαφοροποιείται σε μεγάλο βαθμό από τις εφαρμογές των κτιρίων κατοικίας. Μέχρι σήμερα βασικές πηγές ενέργειας ήταν τα συμβατικά καύσιμα (πετρέλαιο, υγραέριο) αλλά και το ξύλο. Σήμερα η έρευνα έχει στραφεί στην αξιοποίηση και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η βιομάζα και η γεωθερμία (Μαρτζοπούλου,1994). Στο εσωτερικό του θερμοκηπίου λαμβάνουν χώρα διάφοροι μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας οι οποίοι απεικονίζονται στην εικόνα Α8. Το ισοζύγιο θερμότητας σε ένα θερμοκήπιο είναι αρκετά πολύπλοκο καθώς λαμβάνουν χώρα όπως είναι εμφανές αρκετές διεργασίες και ενεργειακές ανταλλαγές. Θερμότητα εισέρχεται στο θερμοκήπιο κατά κύριο λόγο από την ηλιακή ακτινοβολία- λιγότερο από την αναπνοή των φυτών καθώς και από το υπέδαφος. Φυσικά στην περίπτωση που υπάρχει τεχνητό σύστημα θέρμανσης πραγματοποιείται και από τα σώματα θέρμανσης. Η θερμότητα που ρέει από το θερμοκήπιο προς το εξωτερικό περιβάλλον συνοψίζεται στη θερμότητα που χάνεται προς το έδαφος με αγωγή καθώς και από τα υλικά που ορίζουν τα όρια του προς τον ατμοσφαιρικό αέρα επίσης με αγωγή- ακόμα απώλειες θερμότητας υπάρχουν λόγω του εξαερισμού του χώρου και με ακτινοβολία όλου του θερμοκηπίου προς την ατμόσφαιρα. Τέλος τα φυτά που βρίσκονται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου συμμετέχουν στους μηχανισμούς απώλειας θερμότητας μέσω της απορρόφηση θερμότητας κατά τη φωτοσύνθεση και με την εξατμισοδιαπνοή. (Γραφιαδέλλης,1986) Στο ισοζύγιο θερμότητας του θερμοκηπίου υπάρχουν άλλοι παράγοντες που συμμετέχουν περισσότερο και άλλοι λιγότερο στις διαδικασίες εναλλαγής θερμότητας. Είναι σημαντική η επισήμανση των παραγόντων αυτών ώστε να γίνει 41

71 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. ορθός υπολογισμός των απωλειών. Όσον αφορά τις εισροές θερμότητας τα υπολογίσιμα ποσά είναι εκείνα της εισροής με ακτινοβολία και φυσικά με τα τεχνητά μέσα θέρμανσης- αντίθετα η θερμότητα που προέρχεται από το υπέδαφος είναι πολύ μικρή της τάξης του 0,02% όπως και από τη διαδικασία της αναπνοής που δεν ξεπερνά το 0,3-0,4% του συνολικού θερμικού κέρδους. Σχήμα Α8 Μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό θερμοκηπίου (Πηγή: Chou & Chua, 2004) Οι απώλειες τώρα που συμμετέχουν κατά κύριο λόγο στο ενεργειακό ισοζύγιο του θερμοκηπίου είναι εκείνες με αγωγή από τα υλικά κάλυψης, με ακτινοβολία και λόγω εξαερισμού. Οι υπόλοιπες μορφές απωλειών όπως αυτές προς το έδαφος ή που οφείλονται στους μηχανισμούς ανάπτυξης των φυτών θεωρούνται μικρές σε σχέση με τις προαναφερθείσες. (Popovski,2002) Υπολογισμός θερμικών αναγκών θερμοκηπίου Για τον υπολογισμό των θερμικών αναγκών μιας θερμοκηπιακής εγκατάστασης απαιτείται ο υπολογισμός των θερμικών αναγκών στις χειρότερες δυνατές συνθήκες. Έτσι υπολογίζεται βάσει των απωλειών θερμότητας κατά τη διάρκεια της νύχτας και των απωλειών λόγω αερισμού. Οι απώλειες λόγω αερισμού πολλές φορές μπορούν να θεωρηθούν το 10-20% των απωλειών κατά τις βραδινές ώρες. Οι απώλειες λόγω ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της νύχτας είναι πολύ μικρές λόγω έλλειψης της ηλιακής ακτινοβολίας (Μαρτζοπούλου,1994). 42

72 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Q A * U *( T T ) (1) Θερμικές ανάγκες κατά τη διάρκεια της νύχτας c i o Q * N * V * c *( T T ) (2) Θερμικές ανάγκες λόγω αερισμού. vent p i o Ac : επιφάνεια υλικού κάλυψης (m 2 ) U: Συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας (W/m 2 K) p: Πυκνότητα αέρα (kgr/m 3 ) Ν: ανανεώσεις αέρα (ανανέωση/hr) V: όγκος θερμοκηπίου (m 3 ) cp: ειδική θερμότητα αέρα (kcal/kgrk) ti: εσωτερική θερμοκρασία θερμοκηπίου (επιθυμητή) ( o C) to: εξωτερική θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου ( o C) Κατά περιπτώσεις όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι ασθενής μπορεί το σύστημα να συμμετέχει και στη θέρμανση του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Οι απώλειες δίνονται από την εξίσωση: A c q * U *( T T ) q * D* n A g H i o GL s (3) q H: Ένταση θερμικού ρεύματος που καταναλίσκεται από το θερμοκήπιο (W/m 2 ) q GL: Ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) D: Η περατότητα του θερμοκηπίου στην ακτινοβολία n s : Ο συντελεστής μετατροπής της ολικής ακτινοβολίας σε θερμική ενέργεια μέσα στο θερμοκήπιο Υπολογισμός αναγκών δροσισμού θερμοκηπίου Οι ανάγκες δροσισμού σε ένα θερμοκήπιο καλύπτονται κυρίως από τα συστήματα αερισμού. Οι ανταλλαγές του αέρα γίνονται βάσει των αναγκών του αερισμού που είναι 0,75-1 ανταλλαγή αέρα ανά λεπτό. Αυτή η πρακτική δεν είναι η πλέον αποτελεσματική όταν η εξωτερική θερμοκρασία αυξάνει σημαντικά, δηλαδή κατά το θέρος {Μαρτζοπούλου,1994). Το πρόβλημα του δροσισμού ενός θερμοκηπίου σε αυτές τις περιπτώσεις ανάγεται σε ένα πρόβλημα δροσισμού αέρα εσωτερικού περιβάλλοντος περιλαμβάνοντας την έννοια του μίγματος αέρα και υδρατμών. Αυτό 43

73 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. σημαίνει ότι ο αέρας αποτελείται από ένα μίγμα ξηρού αέρα και υγρασίας. Σε αυτά τα μίγματα πρέπει να ορισθούν οι έννοιες της θερμοκρασίας ξηρού θερμομέτρου, της θερμοκρασίας υγρού θερμομέτρου και της θερμοκρασίας στο σημείο δρόσου ώστε να περιγραφούν οι αντίστοιχες μέθοδοι δροσισμού καθώς και τα χαρακτηριστικά που αυτές συγκεντρώνουν. Θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου : Η θερμοκρασία που μετριέται με ένα υδραργυρικό θερμόμετρο. Θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου : Η θερμοκρασία που μετριέται από υδραργυρικό θερμόμετρο όταν στην άκρη του έχει τοποθετηθεί υγρό φυτίλι και τοποθετείται σε ρεύμα αέρα. Θερμοκρασία σημείου δρόσου : Η θερμοκρασία του σημείου δρόσου είναι η θερμοκρασία κεκορεσμένου αέρα σε πίεση υδρατμών ίδια με την πίεση του προς εξέταση υγρού αέρα του περιβάλλοντος που εξετάζεται. Σε ένα τέτοιο μίγμα η εσωτερική ενέργεια χωρίζεται σε λανθάνουσα θερμότητα και αισθητή ανάλογα με τη θερμοκρασία που αναφερόμαστε. Οι βασικοί τρόποι δροσισμού είναι α) Αισθητός δροσισμός β) Δροσισμός με αφύγρανση γ) Δροσισμός με αδιαβατική ανάμιξη υγρού αέρα δ) Δροσισμός με εξάτμιση Στα θερμοκήπια ορισμένες από αυτές τις μεθόδους δεν κρίνονται κατάλληλες για διάφορους λόγους. Ο αισθητός δροσισμός έχει περιορισμένες δυνατότητες. Η μέθοδος του δροσισμού αφύγρανσης ενδεχομένως να οδηγήσει σε συνθήκες ξηρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Επιπλέον παρουσιάζει υψηλές ενεργειακές καταναλώσεις, καθώς τα συστήματα αυτά βασίζονται σε διαδικασίες μηχανικής ψύξης. Η εξισορρόπηση των εξωτερικών θερμοκρασιών με τη χρήση μηχανικής ψύξης μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα ασύμφορη. Η καταλληλότερη μέθοδος ψύξης για τα θερμοκήπια είναι ο δροσισμός με εξάτμιση {Μαρτζοπούλου,1994). Με τη μέθοδο αυτή παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας ξηρού θερμομέτρου του αέρα. Ανάλογα με τη θερμοκρασία του νερού που εισάγεται στο περιβάλλον η θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου ενδέχεται να παραμείνει σταθερή, να αυξηθεί ή να μειωθεί {Παπακώστας 2006}. Στη μέθοδο αυτή δεν πραγματοποιείται ανταλλαγή ενέργειας και αυτό που πρέπει να προσδιοριστεί είναι η ποσότητα νερού που πρέπει να προστεθεί στο χώρο. Ο υπολογισμός γίνεται μέσω του ψυχρομετρικού πίνακα. Η εξίσωση της ενέργειας στη γενική της μορφή είναι: q m ( h h ) m [ c ( T T ) h ( w w )](4) a 2 1 a p 2 1 w

74 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εφόσον η διεργασία θεωρείται αδιαβατική παίρνει τη μορφή: h h h w w w 2 1 hw 2 1 (5) Και πρέπει να υπολογιστεί η διαφορά Δw ώστε να μεταβεί το μίγμα από την κατάσταση h 1 στην κατάσταση h 2. Σε ακόλουθο κεφάλαιο θα εξετασθεί η περίπτωση του δροσισμού με αφύγρανση που πραγματοποιείται με τη χρήση ψυκτικών μηχανών καθώς αφορά το βασικό θέμα της διατριβής και κατά πόσο είναι εφικτό αυτό Περιγραφή συστημάτων θέρμανσης θερμοκηπίων Ένα σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου, πρέπει να διαθέτει κάποια βασικά χαρακτηριστικά ώστε να καταστεί κατάλληλο. Τα βασικότερα είναι 1. Να εξασφαλίζει τη θερμοκρασία που χρειάζονται οι καλλιέργειες 2. Να διανέμει τη θερμότητα στο θερμοκήπιο με όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφο τρόπο 3. Η πηγή ενέργειας που χρησιμοποιεί να είναι σχετικά διαθέσιμη στην αγορά και συμφέρουσα οικονομικά. 4. Να είναι αξιόπιστο από κατασκευαστικής σκοπιάς ώστε να μη κινδυνεύει η καλλιέργεια από πιθανή βλάβη. 5. Να μην επηρεάζει το εσωτερικό περιβάλλον του θερμοκηπίου (με πιθανή έκλυση αερίων) 6. Να επισκευάζεται εύκολα (Γραφιαδέλλης,1986) Σήμερα υπάρχει ένα πλήθος λύσεων όσον αφορά την επιλογή συστημάτων θέρμανσης θερμοκηπίων, με τον διαχωρισμό τους να αφορά την πηγή θέρμανσης, το μέσο μεταφοράς της θερμότητας και το σύστημα παραγωγής μεταφοράς και διανομής (Παπακώστας,2004). Πηγές θέρμανσης θερμοκηπίων Η επιλογή του κατάλληλου καύσιμου ή ενεργειακής πηγής για τη θέρμανση του θερμοκηπίου γίνεται με βάση τρία κριτήρια, την τιμή, τη διαθεσιμότητα και την ευκολία χρήσης (Γραφιαδέλλης,1986). Φυσικά σήμερα υπάρχουν περιβαλλοντικοί περιορισμοί καθώς και προβληματισμοί σχετικά με τη χρήση ορισμένων εξ αυτών. Πάντως σε μεγάλο βαθμό όλες οι πηγές που θα αναφερθούν παρακάτω συναντώνται σε συστήματα θέρμανσης θερμοκηπίων. Φυσικό αέριο: Το φυσικό αέριο αποτελεί ένα από τα πιο οικονομικά καύσιμα αν και δεν είναι διαθέσιμο σε καλλιεργητές σε όλες τις περιοχές. Βασικό πλεονέκτημα είναι 45

75 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. ότι δε χρειάζεται χώρο αποθήκευσης καθώς διοχετεύεται από τις κεντρικές γραμμές μεταφοράς. Η καύση του μπορεί να χαρακτηριστεί καθαρή, δε χρειάζεται πολύ συντήρηση εξοπλισμού ενώ παρουσιάζει ευελιξία και στον τρόπο χρήσης καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε κεντρικό σύστημα θέρμανσης με τη χρήση λέβητα ή και με μεμονωμένους θερμαντήρες. Υγραέριο: Το υγραέριο έχει ως κύριο συστατικό το προπάνιο. Είναι ένα αέριο καύσιμο παρόμοιο με το φυσικό αέριο επίσης καθαρό κατά την καύση του. Παράγεται από τη διύλιση του πετρελαίου αλλά και από το φυσικό αέριο. Είναι πιο ακριβό από το φυσικό αέριο αλλά πιο εύκολα διαθέσιμο. Συνήθως υγροποιείται σε μέτριες πιέσεις υπό κανονικές θερμοκρασίες. Απαιτεί ελάχιστη συντήρηση αλλά απαιτεί δεξαμενή αποθήκευσης και έναν προθερμαντήρα γεγονός που ανεβάζει το κόστος της αρχικής εγκατάστασης. Μαζούτ: Το μαζούτ κοστολογικά παρουσιάζει την ίδια τιμή με το φυσικό αέριο. Η καύση του δεν είναι τόσο καθαρή ενώ απαιτεί εγκαταστάσεις αποθήκευσης, πολλές φορές υπόγειες καθώς η άντληση του σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος δυσκολεύει. Η ασφάλεια σε τέτοιου τύπου εγκαταστάσεις είναι ένα σημαντικό ζήτημα ενώ ανάλογα με τον τύπο του μαζούτ ενδέχεται να απαιτείται προθέρμανση (Γραφιαδέλλης,1986). Η χρήση μαζούτ ήταν διαδεδομένη παλαιότερα κυρίως σε πολύ μεγάλες εγκαταστάσεις καθώς είναι καύσιμο που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στους βιομηχανικούς καυστήρες (Hanan,1998;Burtok,2005) Πετρέλαιο : Το πετρέλαιο αποτελεί ίσως την πιο διαδεδομένη πηγή για συστήματα θέρμανσης. Είναι εύκολα διαθέσιμο με τεχνολογία αξιοποίησης αρκετά γνωστή. Έχει υψηλή θερμαντική ικανότητα αλλά είναι ακριβότερο από το αέριο και η καύση του δε θεωρείται τόσο καθαρή. Γενικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κεντρικά συστήματα θέρμανσης αλλά απαιτεί εγκατάσταση αποθήκευσης. Η καύση του πετρελαίου και του μαζούτ ειδικότερα εμπεριέχει ρύπους για τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ξύλο: Tο ξύλο μπορεί να καεί υπό διάφορες μορφές (προϊόν υλοτόμησης, ως παραπροϊόν επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων όπως πυρήνες ελιάς, τσιπς ή πριονίδι). Οι καυστήρες ξύλου είναι αρκετά διαδεδομένοι. Όταν το κόστος μεταφοράς δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλο μπορεί να αποδειχθεί οικονομική λύση ενώ μόνο κατά την καύση του σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες ( C) εμφανίζει καπνό και ρύπανση. Σήμερα μία αξιόπιστη και συμφέρουσα λύση αποτελούν και τα πέλλετς που έχουν υψηλότερη θερμογόνο δύναμη από το ξύλο. Η αρχική εγκατάσταση είναι σαφώς πιο ακριβή αλλά είναι πιο αποδοτικά. (Burtok,2005) Κάρβουνο : Το κάρβουνο θεωρείται ξεπερασμένο καύσιμο. Σε αρκετές περιοχές παρ όλα αυτά - ακόμα και των ανατολικών ΗΠΑ εντοπίζονται συστήματα θέρμανσης θερμοκηπίων με κάρβουνο. Είναι αρκετά ρυπογόνο καθώς εκτός των προϊόντων καύσης παράγει και τέφρα. Απαιτείται αποθήκευση καθώς υπάρχει η πιθανότητα να παγώσει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι φθηνό καύσιμο με δυσκολίες στην χρήση του σε σχέση με αντίστοιχα καύσιμα όπως το ξύλο ή τα υγρά καύσιμα. Η 46

76 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. θερμοκρασία ανάφλεξης είναι αρκετά υψηλή ενώ χρειάζεται και καθαρισμός των συσκευών κατά τακτά χρονικά διαστήματα. Μεθάνιο : Το μεθάνιο είναι αέριο καύσιμο που παράγεται από διαδικασίες ζύμωσης σε χωματερές ή από την αποσύνθεση της κοπριάς των ζώων. Εφόσον καθαριστεί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απευθείας καύση σε καυστήρες και λέβητες. Η θερμική του ικανότητα είναι μισή του καθαρού μεθανίου. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του θερμοκηπίου που λειτουργεί στο Νιου Τζέρσεϊ των ΗΠΑ, όπου το μεθάνιο που παράγεται από το χώρο υγειονομικής ταφής στο πανεπιστήμιο του Ρούτγκερς στο Νιου Μπρουσγικ, διοχετεύεται απευθείας στο σύστημα θέρμανσης του θερμοκηπίου (Reiss et al,2006). Απορριπτόμενη θερμότητα: Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου θερμική ενέργεια απορρίπτεται από διαδικασίες συμπαραγωγής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια. Η θερμότητα αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί- με τη βοήθεια εναλλάκτη θερμότητας ή αντλίας θερμότητας σε περίπτωση που είναι χαμηλή η θερμοκρασία του ρευστού- για τη θέρμανση θερμοκηπίων. Βέβαια όπου είναι εφικτό το θερμό νερό μπορεί να διοχετευθεί απ ευθείας σε σύστημα επιδαπέδιας θέρμανσης. Ηλεκτρική ενέργεια: Υπάρχουν συστήματα που χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια ως πηγή θερμότητας. Τα συστήματα αυτά είτε είναι συστήματα με ηλεκτρικές θερμάστρες ή με υπέρυθρη ακτινοβολία. Σε γενικές γραμμές είναι αρκετά ακριβά (Miller,2008). Γεωθερμία : Στο εσωτερικό της γης υπάρχει τεράστιο δυναμικό αποθηκευμένης θερμικής ενέργειας. Είτε υπό τη μορφή γεωθερμικών πεδίων χαμηλής μέσης και υψηλής ενθαλπίας που απαιτείται γεώτρηση για την εξόρυξη του γεωθερμικού ρευστού ή σε υπόγειες λίμνες με νερό σταθερής θερμοκρασίας. Τέλος σε βάθη μεγαλύτερα των 2 μέτρων η θερμοκρασία του εδάφους παραμένει σταθερή και μπορεί με τα κατάλληλα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας να αξιοποιηθεί. Τα γεωθερμικά συστήματα χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος εγκατάστασης και πολύ φθηνό λειτουργικό. Χρειάζεται έρευνα κατά περίπτωση για να διαπιστωθεί η βιωσιμότητα τους. (Burtok,2005) Μέσο μεταφοράς της Θερμότητας Το μέσο μεταφοράς της θερμότητας μπορεί να είναι θερμό νερό, ατμός ή ακτινοβολία. Θερμό νερό: Το θερμό νερό μπορεί να παραχθεί από διάφορες εφαρμογές (λέβητες υγρών, στερεών και αερίων καυσίμων) ή μπορεί να προέρχεται από εξωτερικές πηγές (γεωθερμία, απορριπτόμενη θερμότητα) και αποτελεί το πιο ευέλικτο μέσο μεταφοράς της θερμότητας για τη θέρμανση θερμοκηπίου. Ο λόγος είναι ότι μπορεί να συνδυαστεί με αρκετά αν όχι όλα τα συστήματα διανομής θερμότητας. (Miller, 2008). 47

77 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Ατμός : Τα συστήματα που χρησιμοποιούν ατμό μπορεί να συγκριθούν σε μεγάλο βαθμό με εκείνα του θερμού νερού. Πάλι χρησιμοποιείται κάποιο καύσιμο που μετατρέπει το νερό σε ατμό ο οποίος μεταφέρεται μέσω σωληνώσεων σε σύστημα κατά κύριο λόγο θερμαντικών σωμάτων για να θερμάνουν το χώρο (Buffington et al,2010). Ακτινοβολία: Τα συστήματα θέρμανσης με ακτινοβολία που είναι άξια ανφοράς είναι κυρίως αυτά με σώματα που εκπέμπουν υπεριώδη ακτινοβολία χαμηλού μήκους κύματος. Έχει αποδειχθεί ότι εξοικονομούν ενέργεια σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα της τάξης του 30%. (Μαρτζοπούλου,1994). Αντίθετα η ακτινοβολία από χρήση θερμάστρας ηλεκτρικού ρεύματος αποδεικνύεται δαπανηρή και ιδιαίτερα εξειδικευμένος τύπος θέρμανσης ειδικά στην περίπτωση του θερμοκηπίου. Συστήματα παραγωγής μεταφοράς και διανομής θερμότητας Γίνεται εύκολα κατανοητό ότι ο συνδυασμός όλων των παραγόντων που συνθέτουν ένα σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου παρέχει μεγάλη ποικιλία δυνατών λύσεων. Ο σχεδιασμός αλλά ακόμα και η τοποθέτηση των στοιχείων που συνθέτουν ένα σύστημα θέρμανσης μπορεί να το διαφοροποιεί αισθητά από κάποιο άλλο. Παρακάτω θα περιγραφούν τα κυριότερα και πιο κοινά συστήματα θέρμανσης θερμοκηπίων. Εγκατάσταση παραγωγής: Η εγκατάσταση παραγωγής συνήθως αποτελείται από καυστήρα στον οποίο καίγεται το καύσιμο (υγρό, στερεό ή αέριο), ένα χώρο στον οποίο θερμαίνεται το θερμαντικό μέσο στην (νερό ή ατμός) και μπορεί να είναι λέβητας ή γενικότερα ένας τύπος εναλλάκτη. Όταν η ενεργειακή πηγή είναι εξωτερική (γεωθερμία ή απορριπτόμενη θερμότητα από άλλες διεργασίες), απουσιάζει ο καυστήρας καθώς το νερό έρχεται ήδη σε υψηλή θερμοκρασία (J.W. Burtock 2008). Οι περιπτώσεις που περιγράφηκαν αφορούν τα κεντρικά συστήματα θέρμανσης. Τα κεντρικά συστήματα θέρμανσης έχουν το μειονέκτημα ότι έχουν υψηλό αρχικό κόστος και απαιτούν συντήρηση. Επίσης απαιτούν βοηθητικούς χώρους για τη στέγαση (λεβητοστάσιο). Από την άλλη χρησιμοποιούν συνήθως φθηνό καύσιμο και προσφέρουν ελεγχόμενη θέρμανση του χώρου. Οι δύο υποκατηγορίες των κεντρικών συστημάτων θέρμανσης διαχωρίζονται ανάλογα με τη χρήση του μέσου που προορίζεται για τη μεταφορά. Τα συστήματα θερμού νερού είναι πιο διαδεδομένα καθώς η ροή του ρευστού ελέγχεται πιο εύκολα. Έτσι επιτυγχάνεται ευκολότερα ο έλεγχος των θερμοκρασιακών συνθηκών στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Χρησιμοποιείται αρκετά μεγάλος όγκος νερού ενώ γενικά η απόκριση του συστήματος σε απότομες θερμοκρασιακές αλλαγές είναι αργή σε σχέση με τον ατμό. Τα συστήματα ατμού αντίθετα δεν ευνοούν την ελεγχόμενη ροή του μέσου και συνεπώς είναι πιο δύσκολη η ρύθμιση των θερμικών συνθηκών στο θερμοκήπιο. Επιπρόσθετα η εγκατάσταση είναι πιο ακριβή (Van Berkum,2012). Στην περίπτωση που η παραγωγή θερμότητας πραγματοποιείται σε ατομικές θερμάστρες το σύστημα δε χαρακτηρίζεται ως κεντρικό. Οι ατομικές θερμάστρες μπορεί να χρησιμοποιούν ως καύσιμο υγραέριο, πετρέλαιο, ξύλο, πελλετς ή να είναι 48

78 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. ηλεκτρικές. Έχουν χαμηλότερο κόστος από ένα κεντρικό σύστημα, μετακινούνται εύκολα και σε περίπτωση βλάβης δεν επηρεάζεται συνολικά η θέρμανση του χώρου. Το μεγάλο τους μειονέκτημα είναι ότι δεν επιτυγχάνεται ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας στο χώρο του θερμοκηπίου. Τα κριτήρια επιλογής μιας θερμάστρας είναι οικονομικά κατά πρώτον ενώ αφορούν και τον τρόπο που διανέμουν τη θερμότητα δεύτερον. Οι θερμάστρες πετρελαίου συγκεντρώνουν μειονεκτήματα όπως ακριβό καύσιμο και μη ομαλή διανομή της θερμότητας. Ακόμα ένα κομμάτι της μεταφοράς θερμότητας πραγματοποιείται με ακτινοβολία- διαπερνώντας τα υλικά κάλυψης σε ορισμένα θερμοκήπια γεγονός που οδηγεί σε απώλεια ενέργειας. Τέλος υπάρχει ο κίνδυνος διαρροών καυσαερίων που μπορεί να επηρεάσουν την καλλιέργεια. Οι θερμάστρες ξύλου έχουν το πλεονέκτημα του χαμηλού κόστους καυσίμων αλλά δεν προσφέρουν ομαλή και ομοιόμορφη εκπομπή θερμότητας. Το μειονέκτημα αυτό διορθώνεται αισθητά με τη χρήση θερμάστρας με καύσιμο πέλλετς- ανεβάζοντας σημαντικά το κόστος εγκατάστασης αλλά και του καυσίμου. Οι ηλεκτρικές θερμάστρες έχουν ταχύτατη απόκριση και αποτελεσματικότητα. Έχουν όμως υψηλό λειτουργικό κόστος. Τέλος υπάρχει και η επιλογή της θερμάστρας υγραερίου που είναι συμφέρουσα όταν το καύσιμο είναι φθηνό. Γενικά είναι φθηνές, αναβοσβήνουν εύκολα και παράγουν CO 2, το οποίο βοηθά την ανάπτυξη της καλλιέργειας. Το μειονέκτημα τους είναι ότι παράγουν τοξικά αέρια που μπορεί να βλάψουν την καλλιέργεια, αυξάνουν την υγρασία, ενώ η τιμή του καυσίμου είναι μεταβλητή (Μαρτζοπούλου,1994;Popovski,2002). Εγκατάσταση μεταφοράς: Η εγκατάσταση μεταφοράς περιλαμβάνει κυκλοφορητή και δίκτυο μεταφοράς (συνήθως σωληνώσεις), όταν η απόσταση μεταξύ της παραγωγής και του θερμαινόμενου χώρου είναι μεγάλη ενδέχεται αντί για κυκλοφορητή να απαιτείται αντλία. Συστήματα διανομής : Τα συστήματα διανομής χωρίζονται ανάλογα με τον τρόπο που θα θερμανθεί ο χώρος. Έτσι σε γενικές γραμμές χωρίζεται στα παρακάτω συστήματα. 1. Συστήματα θέρμανσης του εδάφους (υπεδάφια εγκατάσταση) 2. Συστήματα για ταυτόχρονη θέρμανση εδάφους-αέρα (επιδαπέδια εγκατάσταση) 3. Συστήματα για θέρμανση του αέρα με φυσική μεταφορά. 4. Συστήματα για θέρμανση του αέρα με εξαναγκασμένη μεταφορά 5. Υβριδικά συστήματα (Bailey et al,1988) Για την ορθότερη περιγραφή των συστημάτων, όπου κρίνεται απαραίτητο θα αναλυθούν και συσκευές ή μηχανισμοί που συμμετέχουν σε αυτά. Τα συστήματα θέρμανσης του εδάφους περιλαμβάνουν συνήθως ένα δίκτυο σωληνώσεων το οποίο βρίσκεται σε σχετικά μικρό βάθος από 5-50cm. Το υλικό που 49

79 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. χρησιμοποιείται είναι πλαστικό (πολυαιθυλένιο ή πολυπροπυλένιο). Στο εσωτερικό τους κυκλοφορεί νερό και επηρεάζουν κατά κύριο λόγο τη θερμοκρασία του εδάφους και το χώρο που βρίσκεται στην επιφάνεια του (Μαρτζοπούλου,1994). Τα συστήματα αυτά υποστηρίζονται από κεντρικό σύστημα θέρμανσης και η μεταφορά της θερμότητας πραγματοποιείται με αγωγή. Θεωρείται απαραίτητη η ύπαρξη κυκλοφορητή ενώ σε γενικές γραμμές μπορεί να υποστηρίξουν θερμοκήπια που βρίσκονται σε περιοχές με ήπιες κλιματικές συνθήκες (Μαρτζοπούλου,1994). Η εγκατάσταση πραγματοποιείται πριν την τοποθέτηση των φυτών και είναι δύσκολη η αντικατάσταση της αργότερα. Θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ποιότητα του νερού που κυκλοφορεί στους σωλήνες ώστε να μην προκαλεί φθορές. Το σύστημα είναι δυνατόν να υποστηριχθεί τόσο από κεντρικό σύστημα θέρμανσης όσο και από γεωθερμικό σύστημα ή σύστημα απορριπτόμενης θερμότητας (Εικόνα A18) Οι ακόλουθες διατάξεις θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν και ως συστήματα διανομής φυσικής μεταφοράς, καθώς η θερμότητα μεταφέρεται με συναγωγή προς το εσωτερικό περιβάλλον χωρίς τη συνδρομή μηχανικών μέσων. Τα συστήματα διανομής με φυσική μεταφορά αποτελούν φθηνές λύσεις και επιτυγχάνουν την εξασφάλιση κατάλληλων συνθηκών σε περιοχές που δεν εμφανίζουν ακραίες κλιματολογικές συνθήκες. Εικόνα Α18 Ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου (Πηγή: Στην περίπτωση της επιδαπέδιας θέρμανσης χρησιμοποιούνται εκτός από πλαστικούς σωλήνες και σωλήνες γαλβανισμένου χάλυβα. Πλεονεκτεί έναντι της υπεδάφιας εγκατάστασης καθώς μπορεί να διευθετηθεί πιο εύκολα και μετά την εγκατάσταση 50

80 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. της, έχει καλή απόκριση στις αλλαγές θερμοκρασίας ενώ θεωρείται ότι επηρεάζει θετικά την καλλιέργεια. Είναι ένα σύστημα διανομής που μπορεί να υποστηρίξει μεγάλο πλήθος καλλιεργειών (Μαρτζοπούλου,1994). Επίσης με αυτό το σύστημα επιτυγχάνεται καλύτερη ρύθμιση της υγρασίας (Van Berkum,2012). Το σύστημα αυτό δε διαφέρει όσον αφορά το σύστημα παραγωγής που το υποστηρίζει από το προηγούμενο. Έτσι μπορεί να τροφοδοτείται από κεντρικό σύστημα θέρμανσης συμβατικών καυσίμων ή κάποιο άλλο που τροφοδοτεί με θερμό νερό το κύκλωμα (γεωθερμία) (Εικόνα A19) Εικόνα Α19 Επιδαπέδιο σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου (Πηγή: Σε αυτό τον τύπο συστημάτων συγκαταλέγονται και εκείνα στα οποία οι σωλήνες με κάποια πρόσθετη κατασκευή τοποθετούνται σε κάποιο σχετικό ύψος από το έδαφος, γεγονός που τα καθιστά πιο ακριβά. (Εικόνα A20) Εικόνα Α20 Παραλλαγή επιδαπέδιου συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου (Πηγή: 51

81 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Πολλές παραλλαγές συστημάτων διανομής με φυσική μεταφορά θερμότητας μπορεί να παρατηρηθούν. Συγκεκριμένα υπάρχει η περίπτωση της τοποθέτησης των σωλήνων κάτω από πάγκους σε γλαστρικές καλλιέργειες, που αποτελεί μία παραλλαγή της επιδαπέδιας θέρμανσης. (εικόνα A21) Εικόνα Α21 Σύστημα θέρμανσης με τοποθέτηση σωλήνων κάτω από πάγκους (Πηγή: (Πηγή: Άλλες περιπτώσεις είναι αυτές των σωλήνων στην οροφή όπου οι απώλειες είναι αρκετά μεγάλες και επίσης δημιουργούν συνθήκες σκίασης της καλλιέργειας (Εικόνα A22). Ένα ακόμα σύστημα διανομής που χρησιμοποιείται σε πολύ ψυχρές περιοχές και συνήθως χρησιμοποιείται ως συμπληρωματικό είναι αυτό της τοποθέτησης πλαϊνών σωλήνων στα τοιχώματα του θερμοκηπίου. (Εικόνα Α23) Εικόνα Α22 Σύστημα διανομής με τοποθέτηση σωλήνων στην οροφή (Πηγή: 52

82 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α23 Σύστημα διανομής με τοποθέτηση σωλήνων πλευρικά (Πηγή: (Πηγή: Εκτός από την περίπτωση των σωλήνων υπάρχει και άλλος τρόποι διανομής του θερμαντικού μέσου στο χώρο του θερμοκηπίου, στα συστήματα διανομής θερμότητας με φυσική μεταφορά. Οι σωλήνες πολυαιθυλενίου λεπτού φιλμ. Σε αντίθεση με τους πλαστικούς σωλήνες ή τους μεταλλικούς η εν λόγω κατασκευή χαρακτηρίζεται από το εξαιρετικά μικρό πάχος των τοιχωμάτων καθώς και το γεγονός ότι είναι διάφανη. Τα πλεονεκτήματα αυτών των συστημάτων είναι ότι επιδρούν θερμικά και στο ριζικό σύστημα της καλλιέργειας, η ροή του νερού ρυθμίζεται εύκολα και έχουν χαμηλό κόστος. Επιπλέον η μεγάλη θερμοχωρητικότητα και ικανότητα απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας δίνει τη δυνατότητα στο σύστημα να λειτουργήσει και σαν ηλιακό σύστημα- μειώνοντας τα προβλήματα υπερθέρμανσης της μέρας και αποδίδοντας μέρος της θερμότητας αυτής κατά τις βραδινές ώρες (Μαρτζοπούλου,1994). Σχήμα Α9 Σύστημα διανομής με σωλήνες πολυαιθυλενίου λεπτού φίλμ (Πηγή: 53

83 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Στα αρνητικά του συστήματος: η ευαισθησία στη διάτρηση, η αναγκαιότητα αντικατάστασης τους σε τακτά χρονικά διαστήματα καθώς και η αδυναμία να ανταποκριθεί σε γρήγορες αλλαγές της θερμοκρασίας. Είναι ένα σύστημα κατάλληλο για χρήση σε απλές θερμοκηπιακές καλλιέργειες χωρίς μεγάλη έκταση. Τέλος υπάρχει και η περίπτωση των εναλλακτών θερμότητας από πλάκες πλαστικού φιλμ ή δέσμης σωλήνων επίσης επί του εδάφους. Τα συστήματα αυτά εξασφαλίζουν αρκετά ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας αλλά είναι αρκετά δαπανηρά τόσο λόγω της συχνής αντικατάστασης αλλά και για τον εν γένει ακριβό εξοπλισμό που απαιτούν (Μαρτζοπούλου,1994). Μια άλλη κατηγορία συστημάτων διανομής θερμότητας στο εσωτερικό των θερμοκηπίων είναι τα βεβιασμένης μεταφοράς. Σε αυτά τα συστήματα υποστηρίζεται η διανομή της θερμότητας στο χώρο με τη βοήθεια μηχανικών μέσων. Ένα από τα πιο διαδεδομένα συστήματα αυτού του τύπου είναι με αερόθερμο και διανομή του θερμού αέρα στο χώρο με τη βοήθεια σωλήνων πολυαιθυλενίου. Το θετικό αυτών των συστημάτων είναι ότι μπορούν να ανταπεξέλθουν γρήγορα στις όποιες θερμοκρασιακές μεταβολές. Από την άλλη συγκεντρώνουν και αρκετά αρνητικά όπως το υψηλό ενεργειακό κόστος καθώς απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία των ανεμιστήρων- όπως και το γεγονός ότι κατανέμουν ανομοιόμορφα τη θερμοκρασία στο χώρο. (Εικόνα Α24) Εικόνα Α24 Σύστημα διανομής θερμού αέρα στο εσωτερικό θερμοκηπίου με σακούλα πολυαιθυλενίου (Πηγή: Ένα σύστημα λιγότερο διαδεδομένο στην κατηγορία αυτή είναι με αερόθερμο το οποίο διαθέτει ενσωματωμένο εναλλάκτη θερμότητας και ανάλογα με το θερμαντικό μέσο τοποθετούνται ψηλά (όταν είναι αέρας) ή χαμηλά (όταν είναι νερό). Αποτελεί 54

84 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. ένα αρκετά ακριβό σύστημα σε σχέση με τα διαθέσιμα. Όταν η κατανομή γίνεται μέσω αέρα παρατηρείται ανομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας σε αντίθεση με την περίπτωση που τοποθετούνται σωλήνες νερού στο έδαφος. Όλα τα συστήματα που περιγράφηκαν, μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους δίνοντας ένα εύρος λύσεων ανάλογα με τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής, την καλλιέργεια και τα οικονομικά δεδομένα. Φυσικά υπάρχει ένα πλήθος επιλογών που ενισχύουν την απόδοση των συστημάτων θέρμανσης. Ακόμα οι δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας μπορεί να οδηγήσουν σε αποφορτισμένη χρήση του συστήματος θέρμανσης. Τέτοια είναι συστήματα εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Επιγραμματικά κάποια από αυτά είναι συστήματα αποθήκευσης θερμότητας με τη βοήθεια νερού που βρίσκεται στο εσωτερικό πλαστικής σακούλας ή σε κάποιο άλλο χώρο αποθήκευσης (δεξαμενή, βαρέλι κτλ) (Sethi & Sharma,2008). Άλλη μέθοδος είναι η τοποθέτηση υλικών όπως το χαλίκι, τα τούβλα ή άλλα πετρώδη σε μικρό βάθος κάτω από το έδαφος του θερμοκηπίου δημιουργώντας ένα στρώμα πάχους 0,5 m. Τα υπόστρωμα αυτό έχει την ιδιότητα να απορροφά θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας και να την αποδίδει κατά τις νυχτερινές ώρες με τη βοήθεια κάποιων μηχανικών συστημάτων (ανεμιστήρες) (Σχήμα Α10) (Sethi & Sharma,2008). Άλλες τεχνικές είναι η χρήση υλικών που αλλάζουν φάση αποδίδοντας θερμότητα ανάλογα με την εξωτερική θερμοκρασία, η χρήση ηλιακών συλλεκτών κτλ. (Sethi & Sharma,2008) Σχήμα Α10 Σύστημα υβριδικού συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου με χρήση πετρωμάτων και ηλιακής ενέργειας (Πηγή: Sethi & Sharma,2008) 55

85 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές Περιγραφή συστημάτων δροσισμού θερμοκηπίων Στα θερμά κλίματα τα θερμοκήπια είναι απαραίτητα ώστε να προστατεύουν τις καλλιέργειες από την υπερβολική ζέστη που περιορίζει την παραγωγή ενώ ταυτόχρονα να μετριάζεται η υπερβολική κατανάλωση ενέργειας και νερού που απαιτείται σε τέτοιες συνθήκες (Ali et al,1990). Ο δροσισμός των θερμοκηπίων σε τροπικές και υποτροπικές περιοχές θεωρείται απαραίτητος ώστε να ξεπεραστούν οι υψηλές θερμοκρασίες κατά τους θερινούς μήνες (Kumar et al,2009). Ακόμα και σε πιο ήπια κλίματα όπως αυτά των μεσογειακών χωρών ο δροσισμός των θερμοκηπίων θεωρείται αναγκαίος ώστε να αποφευχθεί η θερμοκρασιακή πίεση της καλλιέργειας και να μπορούν να παραχθούν προϊόντα υψηλής ποιότητας (Perdigones et al,2009). Άλλωστε με το σωστό κλιματισμό του εσωτερικού του θερμοκηπίου μπορεί να επιτευχθεί και η επέκταση της καλλιεργητικής περιόδου. Η ανάπτυξη ενός κατάλληλου συστήματος δροσισμού που θα μπορεί να διαμορφώσει το ιδανικό μικροκλίμα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου είναι ένα δύσκολο έργο καθώς ο σχεδιασμός του συνδέεται στενά με τις τοπικές κλιματολογικές συνθήκες. Επιπρόσθετα η επιλογή του κατάλληλου συστήματος δροσισμού εξαρτάται από την καλλιέργεια, την ευκολία λειτουργίας και συντήρησης, καθώς και την οικονομική του βιωσιμότητα (Sethi & Sharma,2007). Σήμερα έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές για το δροσισμό των θερμοκηπίων και περιλαμβάνουν τόσο παθητικά όσο και μηχανικά συστήματα. Ο φυσικός αερισμός, η σκίαση και τα συστήματα εξάτμισης (μέσω επιφανειών εξάτμισης ή συστημάτων υδρονέφωσης) είναι ορισμένα από αυτά (Perdigones et al,2009). Ακόμα αρκετές προτάσεις έχουν γίνει για την αξιοποίηση καινοτόμων τεχνικών όπως αξιοποίηση υπόγειων υδάτων (Bucklin,2008), αξιοποίηση του θαλασσινού νερού (Giacomelli,2002), εκμετάλλευση της σταθερής θερμοκρασίας του εδάφους σε μικρά βάθη με τη βοήθεια εναλλάκτη θερμότητας (Ozgener & Ozgener,2010). Φυσικός αερισμός Ο φυσικός αερισμός αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές για το δροσισμό θερμοκηπίων. Με το φυσικό αερισμό η θερμοκρασία του αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου μπορεί να προσεγγίσει τη θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα (Bucklin, 2008). Ο ψυχρότερος εξωτερικός αέρας εισέρχεται μέσω πλευρικών ανοιγμάτων ή ανοιγμάτων στην οροφή και διανέμεται σε όλη την κατασκευή. Ο κρίσιμος παράγοντας για τον αποτελεσματικό δροσισμό με ανοίγματα είναι ο ρυθμός ανταλλαγής του αέρα με ελεύθερη συναγωγή. Ο βαθμός εναλλαγής εξαρτάται από την επιφάνεια των ανοιγμάτων εξαερισμού, την ταχύτητα του ανέμου και τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού αέρα. Τα ανοίγματα συνήθως πρέπει να καταλαμβάνουν συνολική επιφάνεια που αντιστοιχεί στο 15-30% της επιφάνειας του εδάφους του θερμοκηπίου ώστε να είναι αποτελεσματικός ο δροσισμός (Bucklin,2008). Ο βαθμός της κίνησης του αέρα κάτω από φυσικές συνθήκες υπόκειται στους νόμους της φυσικής. Ο θερμός αέρας σε ένα χώρο μετακινείται προς τα ανώτερα στρώματα και αντικαθίσταται από ψυχρότερο. Αυτά τα συστήματα λειτουργούν καλά σε περιοχές που η ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι έντονη 56

86 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. και είναι συχνοί οι φυσικοί άνεμοι. Γενικά η λειτουργία τους ευνοείται όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από την εσωτερική συνεπώς σε εποχές όπου ο δροσισμός δεν καλείται να καλύψει υψηλά φορτία (θερινός δροσισμός). Είναι σαφές ότι στις θερινές περιόδους απαιτούνται διαφορετικά συστήματα δροσισμού (Giacomelli,2002). Η πρακτική του φυσικού αερισμού εξυπηρετεί και άλλες ανάγκες του θερμοκηπίου όπως η διατήρηση της υγρασίας σε επιθυμητά επίπεδα και η απομάκρυνση πιθανών βλαβερών αερίων(giacomelli,2002). Εξαναγκασμένος αερισμός Στον εξαναγκασμένο αερισμό επίσης αξιοποιείται ο αέρας του εξωτερικού περιβάλλοντος. Ουσιαστικά χρησιμοποιούνται μηχανικά μέσα (ανεμιστήρες) οι οποίο σε συνδυασμό με ανοίγματα συμβάλλουν στο να επιτευχθεί η απαραίτητη εναλλαγή του αέρα. Θεωρητικά η εσωτερική θερμοκρασία μπορεί να εξισωθεί με τη θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα (Giacomelli,2002). Ο εξαναγκασμένος αερισμός αποτελεί μία τεχνική με μεγαλύτερες δυνατότητες δροσισμού σε σχέση με το φυσικό αερισμό ειδικά κατά τους θερινούς μήνες όπου η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού αέρα περιορίζεται αισθητά. Παρ όλα αυτά ο μηχανικός αερισμός,όπως και ο φυσικός, δε μπορεί να ανταποκριθεί στις θερμές περιόδους καθώς η εξωτερική θερμοκρασία του αέρα είναι αυτή που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την εσωτερική θερμοκρασία του αέρα (Seginer,1994). Σε γενικές γραμμές η σωστή σχεδίαση ενός συστήματος εξαναγκασμένου αερισμού βασίζεται στη σωστή τοποθέτηση των ανοιγμάτων στην κατασκευή, στις σωστές αποστάσεις μεταξύ ανοίγματος και ανεμιστήρα και στην επιλεγμένη ταχύτητα αέρα (NATIONAL GREENHOUSE MANUFACTURERS ASSOCIATION 2007). Εκτός από τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και ο εξαναγκασμένος αερισμός παρέχει όλες τις λειτουργίες που περιγράφηκαν στο φυσικό αερισμό σχετικά με τη διαμόρφωση του εσωτερικού αέριου περιβάλλοντος. Αποτελεί μία ακριβότερη λύση τόσο από πλευράς εγκατάστασης όσο και από τη σκοπιά της ενεργειακής κατανάλωσης. Σκίαση Η σκίαση θερμοκηπίων είναι μία διαδικασία που στοχεύει στον περιορισμό της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Μειώνοντας την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία στο θερμοκήπιο περιορίζεται η αύξηση της θερμοκρασίας του εσωτερικού αέρα και μειώνεται η διαφορά σε σχέση με τον εξωτερικό. Η σκίαση μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια κουρτίνας που η κίνηση της ελέγχεται από σύστημα αυτοματισμού ( Giacomelli,2002). Η παρεμπόδιση της ηλιακής ακτινοβολίας να εισέρθει στο θερμοκήπιο μπορεί να έχει αρνητικές συνέπειες στην καλλιέργεια καθώς το φως αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την ανάπτυξη των φυτών (Seginer,1994). Έτσι η σκίαση επιβάλλεται να πραγματοποιείται με ελεγχόμενο τρόπο. Ο δεύτερος τρόπος που χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε γυάλινα θερμοκήπια και τα τελευταία χρόνια σε εκείνα με πλαστική κάλυψη είναι με την εφαρμογή ενός μη μόνιμου υγρού υλικού στην εξωτερική πλευρά της κάλυψης. Το υλικό μπορεί να τοποθετηθεί επί του 57

87 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. θερμοκηπίου με τη βοήθεια σπρέϊ. Αφού το υλικό στεγνώσει αφήνει ένα λευκό υμένα στην εξωτερική πλευρά του υλικού κάλυψης και μπορεί να αντανακλά σε ένα ποσοστό 50% την ηλιακή ακτινοβολία. Το υλικό καθώς εκτίθεται στις ατμοσφαιρικές συνθήκες φθείρεται και σε ορίζοντα μερικών μηνών έχει απομακρυνθεί ή μπορεί να απομακρυνθεί με εύκολη διαδικασία καθαρισμού (Giacomelli,2002). Το κύριο μειονέκτημα της σκάσης είναι ο περιορισμός του φωτός στο εσωτερικό του θερμοκηπίου γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε περιορισμό της παραγωγής.(seginer, 1994) Δροσισμός με εξάτμιση νερού Σε πολύ θερμά κλίματα καθώς και σε εποχές όπου οι θερμοκρασίες είναι πολύ υψηλές τα συστήματα αερισμού δε μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες δροσισμού. Τα συστήματα εξάτμισης νερού βασίζονται στη θεμελιώδη αρχή σύμφωνα με την οποία το νερό για να εξατμιστεί απορροφά θερμότητα από τον αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου μειώνοντας τη θερμοκρασία του (Sethi & Sharma,2007). Μέσω της μεθόδου αυτής πραγματοποιείται μετατροπή της θερμότητας από αισθητή σε λανθάνουσα με τη συνολική ενθαλπία να παραμένει σταθερή. Κάθε 1gr νερού που εξατμίζεται καταλαμβάνει όγκο 1m 3, μειώνοντας τη θερμοκρασία κατά 2,5 0 C (Sethi & Sharma,2007). Η μέθοδος που περιγράφηκε παραπάνω παρέχει την πιο ελεγχόμενη και δραστική πτώση της θερμοκρασίας ενώ ταυτόχρονα είναι ευκολότερη και η ρύθμιση της υγρασίας. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται και είναι βασισμένες στην παραπάνω θεωρία είναι τα συστήματα υγρών επιφανειών, του νέφους σταγονιδίων και του συστήματος δροσισμού εξάτμισης οροφής (Εικόνα Α24). Τα συστήματα υγρής παρειάς (εικόνα Α25) και ανεμιστήρων αποτελούνται από πάνελ στο ένα από τα δύο πλευρικά τοιχώματα του θερμοκηπίου και από έναν ανεμιστήρα στο άλλο. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην κυκλοφορία ενός ρεύματος ψυχρού νερού από τα πάνελ και διέλευση του αέρα μέσω αυτών με την κίνηση του να προκαλείται μέσω των ανεμιστήρων. Δύο αλλαγές πραγματοποιούνται στο αέριο περιβάλλον του θερμοκηπίου- η μία αφορά την πτώση της θερμοκρασίας και η άλλη την αύξηση της υγρασίας (Sethi & Sharma,2007). Το σύστημα γενικά είναι ιδανικό σε κλίματα με έντονη ηλιακή ακτινοβολία και ξηρό κλίμα. (Hannan,1994) 58

88 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α25 Σύστημα δροσισμού με υγρή παρειά (Πηγή: Τα συστήματα με υδρονέφωση, αποτελούν μία λύση που οδηγεί σε υψηλές τιμές υγρασίας του αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου (Sethi & Sharma, 2007). Μέσω των μηχανισμών που αποτελούν αυτά τα συστήματα ψεκάζεται νερό υπό τη μορφή σταγονιδίων με υψηλή πίεση στην περιοχή που εντοπίζεται πάνω από τα φυτά. Αυτό οδηγεί σε πτώση της θερμοκρασίας λόγω της εξάτμισης που λαμβάνει χώρα- αύξηση της υγρασίας, ενώ ταυτόχρονα το χώμα παραμένει αρκετά ξηρό (Sethi & Sharma,2007). Το νέφος που δημιουργείται είναι αρκετά ελαφρύ ώστε να αιωρείται ή και να μεταφέρεται ομαλά από τα ρεύματα αέρα που δημιουργούνται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Σε γενικές γραμμές παρουσιάζουν μεγαλύτερη ομοιομορφία σε σχέση με τα συστήματα των πάνελ δροσισμού ενώ ταυτόχρονα δεν απαιτούν τη χρήση ανεμιστήρων. Από την άλλη τα μειονεκτήματα του συστήματος είναι η πολυπλοκότητα της κατασκευής, η απαίτηση αντλιών και γενικά η αυξημένη κατανάλωση σε ενέργεια (Hannan,1994). Το σύστημα αυτό είναι εκείνο στο οποίο επιτυγχάνονται οι σταθερότερες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας σε σχέση με τα υπόλοιπα συστήματα δροσισμού (Pedrigones et al, 2009).(Εικόνα A26). 59

89 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α26 Σύστημα δροσισμού με υδρονέφωση (Πηγή: Με το σύστημα δροσισμού εξάτμισης οροφής, πρακτικά ραντίζεται εσωτερικά ένα κομμάτι της επιφάνεια της οροφής ώστε να σχηματιστεί μία λεπτή στρώση από νερό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνει η επιφάνεια που συμμετέχει στην εξάτμιση με επακόλουθο να μεγαλώνει και ο βαθμός εξάτμισης (Sethi & Sharma,2007). Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι η πτώση της θερμοκρασίας ξηρού θερμομέτρου σε επίπεδα πολύ κοντά στη θερμοκρασία του πλησιέστερου αέρα. Εναλλακτικά συστήματα δροσισμού Στη βιβλιογραφία αναφέρονται και κάποια εναλλακτικά συστήματα δροσισμού με ορισμένα από αυτά να είναι πολύ κοντά στις μεθόδους που ήδη περιγράφηκαν και άλλα να είναι αρκετά διαφοροποιημένα. Για παράδειγμα η πηγή δροσισμού αποτελεί μια παράμετρο που διαφοροποιεί ορισμένα συστήματα. Έτσι υπάρχει η περίπτωση του δροσισμού με χρήση θαλασσινού νερού όπου υπάρχει διαθέσιμο, με το νερό ουσιαστικά να συμμετέχει στο σύστημα με τα υγρά πάνελ. (Σχήμα A11) ( 60

90 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Σχήμα Α11 Σύστημα δροσισμού με την αξιοποίηση θαλασσινού νερού (Πηγή: Η εκμετάλλευση της θερμοκρασίας στο υπέδαφος σε μικρά βάθη αναφέρεται ως μέθοδος δροσισμού των θερμοκηπίων κατά τους θερινούς μήνες που η θερμοκρασία του εδάφους παραμένει σε επίπεδα όχι υψηλότερα από τους 28 0 C (Levit et al,1989). Αυτό που συμβαίνει στις εν λόγω περιπτώσεις είναι η ανακύκλωση του θερμού αέρα μέσα από σωλήνες ή κάποιου τύπου αγωγών που βρίσκονται σε μικρά βάθη με σκοπό την πτώση της θερμοκρασίας του (Kumar et al,2009). Τέλος οι Sethi & Sharma (2007) συστήνουν ένα σύστημα εξάτμισης με την αξιοποίηση υπόγειων υδάτων τα οποία βρίσκονται σε θερμοκρασία περίπου 24 0 C. Το σύστημα εξετάστηκε πειραματικά και αποδείχθηκε ότι επιτυγχάνεται θερμοκρασία C χαμηλότερη σε σχέση με την εξωτερική σε συνθήκες θέρους Τεχνική περιγραφή συστήματος θέρμανσης θερμοκηπίου με γεωθερμία Σε γενικές γραμμές περιγράφηκε ήδη η διαδικασία θέρμανσης ενός θερμοκηπίου και όλα τα μέρη που αυτό περιλαμβάνει. Τα συστήματα θέρμανσης με γεωθερμία εντάσσονται στην ανάλυση που έχει ήδη προηγηθεί για τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης και τα συστήματα διανομής που αυτά μπορούν να υποστηρίξουν. Τα γεωθερμικά ρευστά χαμηλής ενθαλπίας- κατά κύριο λόγο σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 20 0 C-80 0 C- χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση θερμοκηπίων ( Μαρτζοπούλου,2002). Το θερμό γεωθερμικό ρευστό αντλείται από την πηγή του με τη βοήθεια γεώτρησης. Ανάλογα με το βάθος χρησιμοποιούνται διαφορετικού τύπου αντλίες. Αφού το ρευστό έχει φτάσει στην επιφάνεια υπάρχουν δύο επιλογές. Η απ ευθείας διοχέτευση του στο σύστημα διανομής ή η παρεμβολή κάποιας ενδιάμεσης συσκευής. Σ αυτό το σημείο θα πρέπει να εξεταστεί η χημική σύσταση του γεωθερμικού ρευστού. Αν δεν είναι διαβρωτικό για το σύστημα σωληνώσεων που βρίσκεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου μπορεί να παροχετευθεί κατευθείαν σε 61

91 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. αυτό. Αν όντως υπάρχει ζήτημα διάβρωσης τότε παρεμβάλλεται δευτερεύον κύκλωμα μέσω εναλλάκτη θερμότητας ή αντλίας θερμότητας. Η παρεμβολή των συσκευών αυτών δεν αναιρεί την διαβρωτική δράση του ρευστού. Η διαφορά είναι ότι οποιαδήποτε φθορά ή βλάβη δε θα επηρεάσει την καλλιέργεια με πιθανή διαρροή. Πολλές φορές οι συσκευές και οι σωληνώσεις απαιτούν αντικατάσταση ανά τακτά χρονικά διαστήματα (πλάκες εναλλάκτη, σωλήνες γεώτρησης κτλ) (Gudmundsson, & Lund,1985). Θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν εκτός αυτού η επιλογή του συστήματος διανομής. Η επιλογή δε γίνεται με μοναδικό κριτήριο την υψηλότερη θερμική απόδοση. Θα πρέπει να ευνοεί την ανάπτυξη των καλλιεργειών που υποστηρίζει (κατανομή της θερμότητας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, προβλήματα σκίασης, αύξηση υγρασίας, καίρια σημεία θέρμανσης). Έτσι παρ όλο που η γεωθερμική ενέργεια καλύπτει ένα εύρος συστημάτων διανομής θα πρέπει να εξεταστεί κατά περίπτωση ποια είναι η καταλληλότερη επιλογή (Rafferty,1986). Εκτός των άλλων για να θερμανθεί επιτυχώς ένα θερμοκήπιο με γεωθερμία από τεχνολογική σκοπιά και να είναι οικονομικά βιώσιμο θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν και οι παρακάτω παράγοντες. Η απόσταση μεταξύ της πηγής και του χώρου θέρμανσης να μην είναι σημαντικά μεγάλη- ώστε να μην παρατηρηθεί απώλεια θερμότητας στην πορεία αλλά και να περιοριστούν τα έξοδα δικτύου σωληνώσεων, κυκλοφορητών και λοιπού εξοπλισμού. Το μέγεθος του θερμοκηπίου να είναι τέτοιο ώστε να δίνει τη δυνατότητα της μακροχρόνιας απόσβεσης της αρχικά μεγάλης επένδυσης που απαιτείται για μία τέτοια εγκατάσταση Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι πιο βιώσιμο το σύστημα, αν το θερμοκήπιο εντάσσεται σε ένα ευρύτερο σύνολο εφαρμογών που αξιοποιούν το γεωθερμικό πεδίο. Το τεχνολογικό επίπεδο του εξοπλισμού θα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να μπορεί να υποστηρίξει μία ελεγχόμενη διαδικασία θέρμανσης, και να περιορίζει το κόστος λειτουργίας και συντήρησης όσο αυτό είναι δυνατό. Η επιλογή της καλλιέργειας θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να δίνει τη δυνατότητα απόσβεσης της επένδυσης (φυτά με υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, καλλιέργεια σε ετήσια βάση) Οι υποδομές της περιοχής θα πρέπει να είναι σε αρκετά υψηλό επίπεδο (Popovski,2002) 62

92 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές Παραδείγματα θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία παγκοσμίως Η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας σε θερμοκηπιακές καλλιέργειες είναι μία πρακτική που εντοπίζεται στις αρχές του αιώνα. Παραδείγματα εντοπίζονται πρώτη φορά στην Ισλανδία από το 1920 (Ragnansson,1996). Από τότε η ανάπτυξη του κλάδου σήμανε και την λειτουργία αρκετών τέτοιων συστημάτων διαχρονικά. Στην ενότητα αυτή θα γίνει αναφορά σε κάποια παραδείγματα θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμική ενέργεια ανά τον κόσμο. Είναι λογικό ότι η κάλυψη όλων των περιπτώσεων είναι ανέφικτη, αλλά εδώ θα γίνει αναφορά σε κάποιες από τις σημαντικότερες. ΗΠΑ: Στις ΗΠΑ υπάρχει ένα σημαντικό γεωθερμικό δυναμικό το οποίο μεταξύ άλλων χρησιμοποιείται και για τη θέρμανση θερμοκηπίων. Στο Νέο Μεξικό εντοπίζονται οι μεγαλύτερες εγκαταστάσεις σε όλη τη χώρα αλλά και η μεγαλύτερη έκταση θερμοκηπίων που θερμαίνονται γεωθερμικά ( σχεδόν η μισή έκταση όλης της χώρας εντοπίζεται στην πολιτεία του Νέου Μεξικού). Συγκεκριμένα εκεί βρίσκονται τα δύο μεγαλύτερα θερμοκήπια της χώρας που θερμαίνονται με γεωθερμία με συνολική έκταση 50,2 εκταρίων ( m 2 ). Στο μεγαλύτερο εκ των δύο καλλιεργούνται τριαντάφυλλα (Εικόνα Α27). Οι πωλήσεις απέφεραν από το ,6 εκατομμύρια δολάρια (U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy 2004). Εικόνα Α27 Γεωθερμικό θερμοκήπιο στο Νέο Μεξικό στις ΗΠΑ (Πηγή:U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy 2004) Το τρίτο μεγαλύτερο σε μέγεθος (Mason Springs) (Εικόνα Α28), παράγει πάνω από 30 είδη γλαστρικών φυτών. Ο χώρος του θερμοκηπίου θερμαίνεται από 3 πηγές που βρίσκονται σε ιδιωτική έκταση. Οι δύο είναι σε σχετικά μικρό βάθος (117m) και το γεωθερμικό ρευστό φτάνει στους 74 0 C. Η τρίτη και πιο πρόσφατη γεώτρηση φτάνει στα 244m και το νερό έχει θερμοκρασία κοντά στους 95 0 C. Το νερό που αντλείται αποθηκεύεται σε μία δεξαμενή χωρητικότητας λίτρων (εικόνα Α30) και 63

93 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. χρησιμοποιείται για βραδινή θέρμανση. Η απόρριψη του νερού μετά τη χρήση πραγματοποιείται σε βάθος 75 μέτρων περίπου (U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy 2004). Τα προβλήματα που παρουσιάζει το σύστημα είναι η διάβρωση των συσκευών (εναλλάκτης) (εικόνα Α29), όπου αντιμετωπίζεται με τοποθέτηση δίσκων τιτανίου. Η λύση της δεξαμενής επιλέχθηκε ώστε να βοηθήσει το σύστημα να ανταποκρίνεται γρηγορότερα σε αλλαγές της θερμοκρασίας (Witcher,2005). Χαρακτηριστικό παράδειγμα ορθής και αποδοτικής λειτουργίας γεωθερμικά θερμαινόμενου θερμοκηπίου παρατηρείται στο Νότιο Αϊντάχο στην κοιλάδα Χάνγκερμαν. Ένα θερμοκήπιο 8.000m 2 αξιοποιεί γεωθερμικό ρευστό σε θερμοκρασίες από 37 0 C C για τη θέρμανση του. Η εξοικονόμηση ενέργειας, σε σύγκριση με τη θέρμανση με προπάνιο που χρησιμοποιούνταν πριν, είναι της τάξης των $ σε ετήσια βάση. Σε σχέση με δύο άλλα θερμοκήπια της περιοχής εμφανίζει τα μικρότερα λειτουργικά έξοδα (U.S Department of Energy-Energy Efficiency and Renewable Energy, 2004). Εικόνα Α28 Θερμοκηπιακή μοναδα Mason Springs ΗΠΑ (Πηγή: Witcher,2005). 64

94 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α29 Εναλλάκτης θερμότητας αξιοποίησης γεωθερμικού ρευστού (Πηγή: Witcher,2005). Εικόνα Α30 Δεξαμενή αποθήκευσης αντλούμενου γεωθερμικού ρευστού. (Πηγή:Witcher,2005). Ευρώπη: Στην Ευρώπη -όπως φαίνεται και στην εικόνα Α5 στο χάρτη -την πρωτοπορία στη χρήση γεωθερμικής ενέργειας για τη θέρμανση θερμοκηπίων κατέχουν οι χώρες του Νότου. Η Ιταλία αποτελεί μία από τις βασικές παραγωγούς προϊόντων προερχόμενων από θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Ως εκ τούτου δύο από τα μεγαλύτερα γεωθερμικά 65

95 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. θερμαινόμενα θερμοκήπια παγκοσμίως βρίσκονται εκεί. Η πρώτη μονάδα βρίσκεται στην περιοχή της Τοσκάνης και καταλαμβάνει έκταση m 2. Το ρευστό που αξιοποιείται προέρχεται από απόρριψη θερμού νερού από εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής. Η θερμοκρασία του νερού είναι περίπου 90 0 C. Η εναλλαγή θερμότητας πραγματοποιείται με τη βοήθεια δύο σειρών εναλλακτών με πλάκες από χάλυβα. Η απόσταση του θερμοκηπίου από την πηγή είναι περίπου 350 μέτρα. Λόγω της διαδικασίας της εναλλαγής το γεωθερμικό ρευστό φτάνει τελικά στο θερμοκήπιο σε θερμοκρασία 40 0 C. Η εξοικονόμηση σε πετρέλαιο σε ετήσια βάση αγγίζει τους τόνους. (Carella & Sommaruga,2010) Άλλες περιπτώσεις στην Ιταλία είναι αυτή στην περιοχή Λάτιουμ Νότια της Ρώμης. Σε αυτές τις εγκαταστάσεις πραγματοποιείται άντληση του γεωθερμικού ρευστού με 10 γεωτρήσεις σε βάθος m. Το νερό που αντλείται έχει θερμοκρασία περίπου 50 0 C και δεν υπάρχει άλλο συμπληρωματικό σύστημα θέρμανσης. Η εναλλαγή πραγματοποιείται με εναλλακτες θερμότητας και το σύστημα διανομής αποτελείται τόσο από αερόθερμα όσο και από ενδοδαπέδιο σύστημα σωληνώσεων. Η καλλιέργεια που υποστηρίζει αφορά άνθη και γλαστρικά φυτά ενώ κατά τη λειτουργία του την τελευταία δεκαετία δεν έχει παρατηρηθεί μείωση της θερμοκρασίας του γεωθερμικού ρευστού (Carella & Sommaruga,2010). Στην Ουγγαρία επίσης παρατηρείται σημαντική ανάπτυξη στον κλάδο των γεωθερμικών θερμοκηπίων. Συγκεκριμένα περίπου 200 στρέμματα γυάλινων και πλαστικών θερμοκηπίων που θερμαίνονται με γεωθερμία έχουν κατασκευαστεί στη χώρα (εικόνα A31). Ακόμα υπάρχει ένα σημαντικό δυναμικό από χαμηλά σκέπαστρα τα οποία θερμαίνονται με αυτό τον τρόπο καλύπτοντας συνολική έκταση στρεμμάτων (εικόνα A32). Οι καλλιέργειες αφορούν συνήθως οπωροκηπευτικά (τομάτες, πιπεριές, αγγουράκια). Το τυπικό σύστημα που εφαρμόζεται στα περισσότερα από τα θερμοκήπια στην Ουγγαρία, απεικονίζεται στο σχήμα A12. Εικόνα Α31 Γεωθερμικό θερμοκήπιο στην Ουγγαρία (Πηγή :Lund,1989) 66

96 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Ουσιαστικά πραγματοποιείται άντληση του γεωθερμικού ρευστού το οποίο αρχικά οδηγείται σε μία δεξαμενή εξαέρωσης. Στη συνέχεια με την επίδραση της βαρύτητας οδηγείται σε μία δεξαμενή συλλογής και διανέμεται στο θερμοκήπιο με το σύστημα που διαθέτει. Η εισαγωγή βρίσκεται σε μία θερμοκρασία 80 0 C,ενώ το νερό εξέρχεται στους 40 0 C. Συνήθως οι εγκαταστάσεις είναι συνδυασμένες και το νερό που εξέρχεται από το θερμοκήπιο αναμιγνύεται με γεωθερμικό ρευστό δίνοντας ως αποτέλεσμα νερό στους 60 0 C. Το νερό αυτό αξιοποιείται για τη θέρμανση χαμηλού σκέπαστρου. Το απορριπτόμενο νερό και από αυτή τη διαδικασία έχει θερμοκρασία 25 0 C, αποθηκεύεται και χρησιμοποιείται σε άλλες εφαρμογές όπως άρδευση ή αντιπαγετική προστασία του θερμοκηπίου (Lund,1989). Σχήμα Α12 Αρχή λειτουργίας συστήματος θέρμανσης χαμηλών σκέπαστρων με γεωθερμία στην Ουγγαρία (Πηγή:Lund,1989) 67

97 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α32 Χαμηλά σκέπαστρα στην Ουγγαρία που θερμαίνονται από γεωθερμικό σύστημα θέρμανσης (Πηγή:Lund,1989) Η Ισλανδία αποτελεί μία από τις χώρες με παράδοση στη χρήση της γεωθερμίας γενικότερα, λόγω του σημαντικού δυναμικού που διαθέτει. Παρ όλο που οι κλιματολογικές συνθήκες είναι αντίξοες υπάρχει ανάπτυξη στον τομέα της θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία. Συγκεκριμένα η θέρμανση θερμοκηπίου με γεωθερμία ξεκίνησε το Η διαδικασία καλλιέργειας σε θερμοκήπιο στην Ισλανδία αποτελεί εξ ορισμού μία δύσκολη υπόθεση. Η συνδρομή της γεωθερμικής ενέργειας είναι καθοριστική. Τα περισσότερα εξ αυτών εντοπίζονται στο νοτιοδυτικό τμήμα της επικράτειας και τα περισσότερα είναι γυάλινα (εικόνα Α33). Η συνηθέστερη μέθοδος καλλιέργειας χρησιμοποιεί υλικά όπως η ηφαιστειακή τέφρα για την ανάπτυξη των φυτών πάνω σε τσιμεντένιο δάπεδο. Το γεωθερμικό ρευστό (συνήθως ατμός), θερμαίνει υποδαπέδια την καλλιέργεια. Επίσης ο ατμός χρησιμοποιείται για αποστείρωση του εδάφους. Το γεγονός ότι τα περισσότερα θερμοκήπια βρίσκονται κοντά σε κάποια γεωθερμική εγκατάσταση παραγωγής ηλεκτρισμού δίνει τη δυνατότητα να εμπλουτίζονται με CO 2 από αυτού του τύπου τη διαδικασία. Ταυτόχρονα με τη βοήθεια τεχνητού φωτισμού επεκτείνεται η καλλιεργητική περίοδος. Συνολικά 124 στρέμματα γεωθερμικά θερμαινόμενων θερμοκηπίων βρίσκονται στην Ισλανδία (χωρίς τα χαμηλά σκέπαστρα) και παράγουν κυρίως τομάτες, πατάτες αλλά και άνθη. (Gudmundsson,1982) Θερμοκήπια που θερμαίνονται από γεωθερμικές πηγές εντοπίζονται και στην Ισπανία, στην Ταραγόνα, τη Μούρθια και στη Γρανάδα καλύπτοντας 100 στρέμματα ( Στη δυτική Ρωσία και συγκεκριμένα στην περιοχή του Βόρειου Καυκάσου, 700 στρέμματα θερμοκηπίων θερμαίνονται με γεωθερμικά ρευστά και ενισχύουν την καλλιέργεια τομάτας, αγγουριών και λουλουδιών (Kononov,1993). 68

98 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α33 Γυάλινα θερμοκήπια στην Ισλανδία θερμαινόμενα με γεωθερμική ενέργεια (Πηγή: Στις χώρες της Βαλκανικής συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας παρατηρείται ιδιαίτερη ανάπτυξη στην χρήση γεωθερμικών πεδίων για τη θέρμανση θερμοκηπίων. Συγκεκριμένα στα Σκόπια υπάρχει το παράδειγμα των πηγών του Πόντλογκ, όπου 6 στρέμματα γυάλινων θερμοκηπίων θερμαίνονται αποκλειστικά με γεωθερμία. Το ρευστό αντλείται από μία εκ των τριών γεωτρήσεων της περιοχής. Φτάνει στο θερμοκήπιο με τη βοήθεια αντλίας και δικτύου σωληνώσεων παρέχοντας στην εγκατάσταση ρευστό θερμοκρασίας 79 0 C. Μετά τη χρήση απομακρύνεται σε θερμοκρασία 40 0 C. Το σύστημα διανομής αποτελείται από δίκτυο σωληνώσεων στους πλευρικούς τοίχους (Popovski & Kotevski,1993). Ένα μικρότερο θερμοκήπιο 1,5 στρέμματος που βρίσκεται στην περιοχή της Βίτσινας χρησιμοποιεί γεωθερμικό ρευστό θερμοκρασίας C, που λειτουργεί υποστηρικτικά για το ήδη υπάρχων σύστημα θέρμανσης με μαζούτ (Andrejevski,1993). Υπόλοιπος κόσμος: Τα παραδείγματα γεωθερμικά θερμαινόμενων θερμοκηπίων είναι αναρίθμητα ανά την υφήλιο. Ενδεικτικά αναφέρεται η περίπτωση της Τυνησίας όπου στο Νότιο τμήμα της υπάρχει γεωθερμικό δυναμικό. 13 διαφορετικές γεωτρήσεις παρέχουν με θερμό νερό 22 σημεία για τη θέρμανση θερμοκηπίων στην περιοχή Κεμπίλι. 45 στρέμματα θερμοκηπιακής καλλιέργειας εξυπηρετούνται από θερμό νερό που οι θερμοκρασίες του κυμαίνονται από 45 0 C-75 0 C. Η θέρμανση θερμοκηπίων αξιοποιεί το 19% της συνολικής γεωθερμικής ενέργειας της περιοχής (Gandouzi,1999). Στην Αλγερία από τις αρχές της δεκαετίας του 90 στο νότιο τμήμα της αναφέρεται η θέρμανση 8 θερμοκηπίων με γεωθερμική ενέργεια με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού ανέρχεται στους 50 0 C C (Mohamed, 2003;Fekraoui & Abouriche,1993). 69

99 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Στη Νέα Ζηλανδία θερμαίνεται αλλά και εμπλουτίζεται από τη διαδικασία της γεώτρησης με CO 2 ένα θερμοκήπιο 5,5 στρεμμάτων, παραγωγής πιπεριάς. Το ρευστό που χρησιμοποιείται είναι ατμός χαμηλής ροής από ένα πλήθος γεωτρήσεων ( Dunstall & Foster 1998). Μία έκταση σχεδόν 800m 2, με θερμοκήπια που θερμαίνονται με γεωθερμία εντοπίζονται στην Ιαπωνία για την παραγωγή τριαντάφυλλου. Η πηγή βρίσκεται σε απόσταση 100 μέτρων και διοχετεύει το θερμοκήπιο με ρευστό θερμοκρασίας περίπου C. Το σύστημα διανομής αποτελείται από σύστημα σωληνώσεων στους πλευρικούς τοίχους και υποστηρίζεται από θερμοκουρτίνες για την καλύτερη θερμική συμπεριφορά (Lienau,1996). (εικόνες Α34,Α35) ΕικόναΑ34 Γυάλινα θερμοκήπια στην Ιαπωνία θερμαινόμενα με γεωθερμική ενέργεια (Πηγή: Lienau,1996) Εικόνα Α35 Εσωτερικό γυάλινου γεωθερμικού θερμοκηπίου στην Ιαπωνία (Πηγή: Lienau,1996) 70

100 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές Παραδείγματα εφαρμογών στην Ελλάδα Στην ελληνική επικράτεια τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας που είναι κατάλληλα για την υποστήριξη συστημάτων θέρμανσης βρίσκονται στη Βόρεια Ελλάδα και σε κάποια νησιά. Η γεωγραφική τους τοποθέτηση σε σχέση με τις κλιματολογικές συνθήκες ευνοεί τη χρήση τους για εφαρμογές θέρμανσης θερμοκηπίων καθώς το ψυχρό κλίμα της Βορείου Ελλάδας καθιστά το κόστος θέρμανσης με συμβατικά καύσιμα για ένα θερμοκήπιο αρκετά ασύμφορο. Παρακάτω θα αναλυθούν ορισμένες από τις πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις. Στον πίνακα αποτυπώνεται το δυναμικό σε θερμοκήπια που θερμαίνονται με γεωθερμία μέχρι το Πίνακας Α4 Θερμοκήπια θερμαινόμενα με γεωθερμία μέχρι το 2000 στην Ελλάδα (Πηγή: Ανδρίτσος και άλλοι,2000) Σιδηρόκαστρο Σερρών : Στην περιοχή υπάρχουν γεωθερμικά θερμοκήπια που εκτείνονται σε 17,5 στρέμματα με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 6,64 ΜW th. Η εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται 71

101 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. είναι της τάξεως των 1180 τόνων ισοδύναμου πετρελαίου ανά έτος. Από αυτά τα θερμοκήπια το ένα λειτουργεί πλήρως, και εκμεταλλεύεται όλες τις περιόδους σοδειάς ανά έτος. Οι εγκαταστάσεις του γεωθερμικού θερμοκηπίου εκτείνονται σε 415 στρέμματα. Το υλικό κάλυψης του συγκεκριμένου είναι γυαλί. Η εγκατεστημένη ισχύς του είναι 1,9 ΜW th και η ετήσια εξοικονόμηση περίπου 365 ΤΙΠ/ έτος. Το γεωθερμικό πεδίο εκτείνεται 10km δυτικά του Σιδηροκάστρου και οι θερμοκρασίες του ρευστού είναι από 45 0 C C. Το πεδίο είναι ιδανικό για τη θέρμανση θερμοκηπίων και θεωρείται ότι με ορθή χρήση και αξιοποίηση μπορεί να πολλαπλασιάσει τη δυναμικότητα σε στρέμματα (Edwards et al,1982; ΙΓΜΕ,2003). Θερμές Ξάνθης: Στην Ξάνθη έχει κατασκευαστεί μία μονάδα θερμοκηπίων που αξιοποιεί γεωθερμικό ρευστό που η θερμοκρασία του φτάνει τους C. Το σύστημα διανομής αποτελείται από αερόθερμα καθώς και σύστημα διανομής σωλήνων. Η παραγωγή είναι κυρίως τριαντάφυλλα σε μία έκταση 10 στρεμμάτων. Εξετάζεται και η δημιουργία ενός εκτεταμένου συστήματος θέρμανσης που θα περιλαμβάνει και δεύτερο πειραματικό θερμοκήπιο στην περιοχή με σκοπό την καλλιέργεια φράουλας όπου η εσωτερική θερμοκρασία πρέπει να ανέρχεται στους 15 0 C. Το σύστημα θέρμανσης που επιλέχθηκε απεικονίζεται στο σχήμα Α13. Παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας μεταξύ του γεωθερμικού ρευστού και του συστήματος διανομής. Αυτό οδηγεί σε μία μείωση της θερμοκρασίας του ρευστού στους 95 0 C. Στη συνέχεια μεταφέρεται μέσω μεταλλικών σωληνώσεων στο δίκτυο των αερόθερμων στους 75 0 C, όπου υπάρχει τελική μείωση της θερμοκρασίας κοντά στους 50 0 C. Το σύστημα δίνει και την εναλλακτική δυνατότητα για απευθείας χρήση του ρευστού μετά τον εναλλάκτη. Αυτή η επιλογή αφορά την περίπτωση όπου υπάρχουν υψηλές θερμικές απαιτήσεις και γρήγορη απόκριση του συστήματος. Το σύστημα γενικά καταφέρνει να διατηρήσει θερμοκρασία 20 0 C στο εσωτερικό όταν η θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος είναι 7 0 C.Κατά τη λειτουργία του θερμοκηπίου η παραγωγή φτάνει τα άνθη ανά στρέμμα. (Bakos et al,1999) 72

102 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Σχήμα Α13 Σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου με τη βοήθεια εναλλάκτη θερμότητας (Πηγή: Bakos et al,1999) Ελαιοχώρια Χαλκιδικής : Στην περιοχή των Ελαιοχωρίων λειτούργησαν 6 πειραματικά θερμοκήπια, με αποτελέσματα ιδιαίτερα ενθαρρυντικά. Συγκεκριμένα το νερό του γεωθερμικού πεδίου βρίσκεται στη θερμοκρασία των 33,5 0 C. Τα πέντε θερμοκήπια θερμαίνονταν με τη βοήθεια του πεδίου (αλλά με διαφορετικές μεθόδους), ενώ το έκτο λειτουργούσε ως σύγκριση- καταναλώνοντας συμβατικά καύσιμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι από οικονομικής και περιβαλλοντικής απόψεως η θέρμανση των θερμοκηπίων με χρήση του κατάλληλου συστήματος και όταν αυτό το υποστηρίζει το γεωθερμικό πεδίο κρίνεται σκόπιμη (Martzopoulou,2002). Νέα Απολλωνία Θεσσαλονίκης : Αντίστοιχη έρευνα πραγματοποιήθηκε και στη Νέα Απολλωνία, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης όπου υφίσταται γεωθερμική πηγή χαμηλής ενθαλπίας με το ρευστό να φτάνει τους 40 0 C. Διερευνήθηκε η παραγωγή λουλουδιών σε τρία γυάλινα θερμοκήπια συνολικής έκτασης 7,5 στρεμμάτων με διαφορετικά συστήματα διανομής (Martzopoulou,2002) Νιγρίτα Σερρών : Στη Νιγρίτα Σερρών, έχει κατασκευαστεί ένα συγκρότημα υαλόφρακτων θερμοκηπίων συνολικής έκτασης 100 στρεμμάτων για την καλλιέργεια τομάτας. Το θερμοκήπιο αξιοποιεί για τη θέρμανση γεωθερμικό πεδίο χαμηλής ενθαλπίας της περιοχής το οποίο καλύπτει τις συνολικές θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου. (εικόνα Α36) 73

103 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. Εικόνα Α36 Συγκρότημα υαλόφρακτων γεωθερμικών θερμοκηπίων στη Νιγρίτα Σερρών (Πηγή :ITA GROUP, 2010) Σχήμα Α14 Σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία στη Νιγρίτα Σερρών (Πηγή: ITA GROUP, 2010) Το σύστημα θέρμανσης αποτελείται από τρία επιμέρους συστήματα. Το πρωτεύον που πραγματοποιεί απευθείας εναλλαγή θερμότητα με τη βοήθεια δύο εναλλακτών θερμότητας 13MW και καλύπτουν το 98,7% των αναγκών, το δευτερεύων που με τη βοήθεια αντλιών θερμότητας και ενός μικρότερου εναλλάκτη που συμπληρώνουν το 1,2% και τέλος έναν καυστήρα βιομάζας που συνεισφέρει στο 0,1%. Για την 74

104 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. εκμετάλλευση του ρευστού πραγματοποιήθηκαν τρεις γεωτρήσεις παραγωγής και δύο επαναεισαγωγής του χρησιμοποιούμενου ρευστού στον ταμιευτήρα. Απεικόνιση του συνολικού συστήματος στο αντίστοιχο σχήμα (Σχήμα Α14) (ITA GROUP, 2010) Αποτίμηση της θέρμανσης θερμοκηπίων με γεωθερμία στην Ελλάδα Βασικό στοιχείο για τη χρήση γεωθερμίας στη θέρμανση θερμοκηπίων αποτελεί ο σωστός σχεδιασμός του συστήματος. Από την παραγωγή μέχρι τη διανομή. Στην Ελλάδα πολλές προσπάθειες βασίστηκαν στην αρχή του ελάχιστου κόστους με αποτέλεσμα να υπάρχουν προβλήματα εν τη γενέσει των συστημάτων. Όσον αφορά τις γεωτρήσεις παρατηρείται το φαινόμενο της έντονης διάβρωσης των υλικών. Σε πολλές περιπτώσεις δε λαμβάνεται υπ όψιν η χημική σύσταση του ρευστού με αποτέλεσμα να παρουσιάζονται προβλήματα στις σωληνώσεις στη λειτουργία των βανών, το φράξιμο των γεωτρήσεων και η ανεξέλεγκτη ροή λόγω πίεσης και μη σωστής τσιμέντωσης των γεωτρήσεων (Ανδρίτσος και άλλοι,1999). Άλλα προβλήματα που έχουν παρατηρηθεί είναι οι επικαθίσεις στις πλάκες των εναλλακτών (αντιμετωπίζεται με τη χρήση διαλυτικών ουσιών), οι απώλειες θερμότητας κατά τη μεταφορά του από την πηγή μέχρι το θερμοκήπιο, φαινόμενο που είναι δύσκολο να αντιμετωπιστεί, αλλά περιορίζεται με τη χρήση μονωτικών. Τέλος σε αρκετά θερμοκήπια η διαδικασία δεν παρακολουθείται με την έννοια ότι απουσιάζει η καταγραφή στοιχείων που αφορούν τη ροή, την κατανάλωση ενέργειας, στοιχεία για τη θερμοκρασία του ρευστού κτλ (Ανδρίτσος και άλλοι,1999). Εκτός από τα τεχνικά προβλήματα υφίστανται και προβλήματα νομικά, και γενικότερου σχεδιασμού. Υπάρχει μία λανθασμένη προσέγγιση των συστημάτων θέρμανσης με γεωθερμία από άτομα τα οποία δε διαθέτουν την απαραίτητη εμπειρία για τον σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων. Έτσι υιοθετούνται λύσεις από τους γεωργούς-παραγωγούς χωρίς την απαραίτητη τεχνική μελέτη με αποτέλεσμα να προκύπτουν συστήματα εμπειρικά που δεν είναι ικανά να καλύψουν τις ανάγκες των θερμοκηπίων. Εκτός της τεχνικής μελέτης η χρήση γεωθερμικών ρευστών για τη θέρμανση θερμοκηπίων στην Ελλάδα δε συνοδεύεται και από σωστή οικονομική προσέγγιση-με αποτέλεσμα αρκετές από τις εφαρμογές να καθίστανται μη βιώσιμες. Συγκεκριμένα για τη χρήση ενός πεδίου θα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν η γεωγραφική θέση του θερμοκηπίου, η επιλογή της κατάλληλης καλλιέργειας καθώς και η ανάλογη κατασκευή. Το νομικό πλαίσιο στην Ελλάδα οδηγεί σε σύγκρουση τους φορείς που εμπλέκονται στη χρήση του προς εκμετάλλευση πεδίου. Αν και το νομικό πλαίσιο διαμορφώθηκε από την ανάγκη να μην υπάρξει, υπερεκμετάλλευση του πεδίου και αλόγιστη χρήση έχει οδηγήσει από την άλλη σε μία δυσκίνητη διαδικασία για την εκμετάλλευση. Επιτακτική ανάγκη αποτελεί η διαμόρφωση ενός φορέα που θα μπορεί αν διαθέτει τη χρήση του πεδίου σε οποιαδήποτε οργανωμένη προσπάθεια. Αν υφίσταται μία μελέτη 75

105 3 Γεωθερμία και αγροτικές εφαρμογές. σκοπιμότητας και έργου, είναι δυνατό να ελεγχθεί κατά πόσο η πρόταση είναι εφικτή ενώ ταυτόχρονα θα μπορεί να ελέγχεται το δυναμικό με αποτελεσματικό τρόπο. (Μαρτζόπουλος,2004). 76

106 4 Αβαθής γεωθερμία. 4.Αβαθής γεωθερμία 4.1 Γενικά Ορισμός της αβαθούς γεωθερμίας και ρόλος του εδάφους Ως αβαθής γεωθερμία ορίζεται η θερμική ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη σε μικρά σχετικά βάθη από την επιφάνεια της γης (μέχρι 100m) (Sanner,2001). Η αρχή λειτουργίας των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας συνοψίζεται στον θερμοδυναμικό κύκλο της συμπίεσης- συμπύκνωσης ατμών. Ορισμένες ουσίες έχουν την ιδιότητα να εξατμίζονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αφού εξατμιστεί η ουσία και βρεθεί στην αέρια φάση υπάρχει η δυνατότητα να συμπιεστεί και να ανεβάσει τη θερμοκρασία της σε επίπεδα ικανά να θερμάνουν το νερό ή τον αέρα ενός δευτερεύοντος κυκλώματος όπως συμβαίνει σε κάθε σύστημα θέρμανσης. Η θερμότητα που απαιτείται για να εξατμιστεί το ψυκτικό μέσο αντλείται από το έδαφος ή από κάποια θερμοπηγή που βρίσκεται εντός του εδάφους όπως δεξαμενές νερού. Τα επίπεδα της θερμικής ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη στον εξωτερικό φλοιό της γης διαμορφώνονται από την ηλιακή ακτινοβολία, την βροχόπτωση, τις κινήσεις του ανέμου και λιγότερο από την επίδραση του γήινου πυρήνα (Rawlings,1999). Η θερμοκρασία σε μικρά βάθη επηρεάζεται από τις εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Κάτω από τα 2 μέτρα η θερμοκρασία του εδάφους σταθεροποιείται σημαντικά ενώ σε βάθη μεγαλύτερα των 16 μέτρων, σταθεροποιείται πλήρως (Σχήμα A15). Η μέση θερμοκρασία της γης σε αυτά τα βάθη προσεγγίζει τη μέση θερμοκρασία του αέρα της περιοχής. Αύξηση της θερμοκρασίας του εδάφους παρατηρείται σε μεγαλύτερα βάθη (περίπου 3 0 C ανά 100m) (Klaasen,2006). Οι βασικοί τρόποι ώστε να αξιοποιηθεί η αποθηκευμένη αυτή θερμική ενέργεια είναι με τη βοήθεια αντλίας θερμότητας ή με εποχιακή θερμική αποθήκευση (Sanner,2001). Σχήμα Α15 Διακύμανση της θερμοκρασίας σε διάφορα βάθη καθ όλη τη διάρκεια του έτους (Πηγή:Sanner,2001) 77

107 4 Αβαθής γεωθερμία. Οι ποσότητες ενέργειας που βρίσκονται αποθηκευμένες σ αυτά τα βάθη αξιοποιούνται με την ανακυκλοφορία νερού στο υπέδαφος ή με την εκμετάλλευση των υπόγειων υδάτων τα οποία βρίσκονται σε μικρά βάθη (Φυτίκας και άλλοι,2008). Το έδαφος έχει δύο βασικές ιδιότητες που το καθιστούν ιδανική δεξαμενή αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Μεταφέρει με αργούς ρυθμούς τη θερμότητα και έχει μεγάλη,σχεδόν άπειρη, θερμοχωρητικότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να παρουσιάζει αδράνεια όσον αφορά τις θερμοκρασιακές του μεταβολές σε σχέση με το τι συμβαίνει στο περιβάλλον. Συνεπώς υπάρχει η δυνατότητα να αξιοποιεί θερμότητα η οποία έχει αποθηκευθεί κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού κατά την περίοδο ψύξης και το αντίστροφο κατά τους θερινούς μήνες (Φυτίκας και άλλοι,2008) Ακολουθεί μία συνοπτική περιγραφή των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους που καθορίζουν τη συμπεριφορά του ως κομμάτι ενός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας. Θερμοχωρητικότητα: Η θερμοχωρητικότητα ή ειδική θερμότητα δείχνει την ικανότητα μιας ουσίας να αποθηκεύει θερμότητα- όσο μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα έχει μία ουσία τόσο μεγαλύτερα ποσά θερμότητας μπορεί να κερδίσει ή να χάσει ανά μονάδα ανόδου ή πτώσης της θερμοκρασίας. Για το ξηρό έδαφος η τυπική τιμή ανέρχεται στα 0,837 kj/ kgr*k και είναι μόλις το 1/5 της θερμοχωρητικότητας του νερού. Συνεπώς όσο περισσότερη περιεκτικότητα σε υγρασία έχει το έδαφος τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της θερμοχωρητικότητας του. Έτσι οι τιμές του ανέρχονται στο 1,05 kj/ kgr*k. Θερμική αγωγιμότητα : Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένα μέγεθος που δείχνει το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας για μία δεδομένη βαθμίδα θερμότητας. Ουσιαστικά δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να μεταφέρει το έδαφος θερμότητα προς ένα δεύτερο υλικό κάτι που είναι πολύ σημαντικό στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας. (U.S. Department of Energy's State Energy Program through the Virginia Department of Mines, Minerals, and Energy,2005). Η ικανότητα του εδάφους να μεταβιβάζει θερμότητα τείνει να αυξηθεί όσο αυξάνεται η υγρασία του εδάφους αλλά και όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα του σε άργιλο (U.S. Department of Energy's State Energy Program through the Virginia Department of Mines, Minerals, and Energy,2005). Στον πίνακα A5 δίνονται τυπικές τιμές θερμοδυναμικών ιδιοτήτων για διάφορους τύπους εδάφους. 78

108 4 Αβαθής γεωθερμία. Τύπος εδάφους W/m ºC Αγωγιμότητα, Διαχυτότητα, m 2 /s Πυκνότητα, kg/m 3 Ειδική θερμότητα, kj/ kg ºC Ελαφρύ, υγρό έδαφος (άμμος, ιλύς) 0,9 5,2x ,05 Ελαφρύ, ξηρό έδαφος (άμμος, ιλύς) 0.3 2,8x ,84 Βαρύ, υγρό έδαφος (άργιλος, πυκνή άμμος) 1,3 6,5x ,96 Βαρύ, υγρό έδαφος (άργιλος, πυκνή άμμος) 0,9 5,2x ,84 Ελαφρύ πέτρωμα (ασβεστόλιθος) 2,4-2,8 1,3x ,84 Βαρύ πέτρωμα (γρανίτης) 2,6-3,6 1,4x ,84 Πίνακας Α5 Θερμικές ιδιότητες για διάφορους τύπους εδάφους (Πηγή: Ζησκάτας και άλλοι,2006) Ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας αποτελείται από τρία βασικά κομμάτια: την αντλία θερμότητας, τον γεωεναλλάκτη και το σύστημα διανομής της θερμότητας. Τα στοιχεία αυτά θα περιγραφούν με λεπτομέρεια παρακάτω- αφού πρώτα γίνει μία ιστορική ανασκόπηση στη χρήση των αντλιών θερμότητας και γενικά της χρήσης των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Ιστορική ανασκόπηση Η χρήση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με τη χρήση αντλίας θερμότητας αρχικά εντοπίζεται το 1912 στην Ελβετία, σε μία εποχή που το κόστος των ορυκτών καυσίμων ήταν αρκετά χαμηλό και καθιστούσε το καινοτόμο αυτό σύστημα μη ανταγωνιστικό. Μετά τη δεκαετία του 40 άρχισε να αναπτύσσεται η έρευνα τόσο στις ΗΠΑ όσο και στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το 1946 παρατηρείται η πρώτη εφαρμογή στον κτιριακό τομέα στο Πόρτλαντ για θέρμανση και δροσισμό εμπορικού κτιρίου. Στο Ηνωμένο Βασίλειο η πρώτη προσπάθεια χρονολογείται το 1946 όπου η εγκατάσταση περιελάμβανε 12 γεωθερμικές αντλίες θερμότητας..η κάθε μονάδα απέδιδε 9 kw με μέσο COP περίπου 3 (Shahed & Harrison,2007). Στις ΗΠΑ τα επόμενα χρόνια υπήρξε ραγδαία αύξηση πάνω στο πεδίο που αφορά τις μεθόδους αξιοποίησης της αβαθούς γεωθερμίας που χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμερα. Mέχρι το 1953 αριθμούνται περίπου 28 πειραματικές εγκαταστάσεις. Την ίδια περίοδο στον Καναδά πραγματοποιούνταν έρευνα γύρω από τη θεωρητική προσέγγιση και το πρώτο πειραματικό σύστημα εγκαταστάθηκε το πανεπιστήμιο του Τορόντο το 1952 (Rawlings,1999). Η αύξηση της χρήσης των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας επήλθε όταν ξέσπασε η ενεργειακή κρίση το Στην Ευρώπη από τις αρχές της δεκαετίας του 70 άρχισε η εμπορική χρήση των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας. Στη Σουηδία ήδη αναφέρεται ένα δυναμικό περίπου αντλιών θερμότητας εκείνη την εποχή- ενώ καταγράφεται εκτεταμένη χρήση σε όλη την ευρωπαϊκή επικράτεια 79

109 4 Αβαθής γεωθερμία. στα τέλη της δεκαετίας του 70 (Γερμανία, Σουηδία, Ελβετία και Αυστρία) (Rawlings & Sukylski,1999). Από τη δεκαετία του 80 και μετά υπήρχε ραγδαία αύξηση στη χρήση και την τεχνογνωσία γύρω από τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας και τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας. 4.2 Τεχνική περιγραφή συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Συνολική περιγραφή του συστήματος Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας, χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες- στα συστήματα κλειστού βρόχου και στα ανοιχτού βρόχου. Η πρώτη υποκατηγορία αναφέρεται σε ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από έναν αντιστρεπτό κύκλο εξάτμισης-συμπίεσης που συνδέεται με ένα κλειστό κύκλωμα γεωεναλλάκτη θερμότητας που βρίσκεται στο εσωτερικό του εδάφους. Η μονάδα που χρησιμοποιείται ευρέως είναι η αντλία θερμότητας νερού-αέρα. Η ονομασία αναφέρεται στο εργαζόμενο μέσο για την πραγματοποίηση του κύκλου και το μέσο με το οποίο διοχετεύεται η θερμότητα στο κύκλωμα διανομής. Λιγότερο διαδεδομένες είναι οι νερού-νερού όπου το μέσο διανομής της θερμότητας είναι νερό. Τέλος υπάρχουν τα συστήματα απ ευθείας εκτόνωσης όπου ο γεωεναλλάκτης αποτελεί τον εξατμιστήρα του κύκλου και το σύστημα διανομής μπορεί να χρησιμοποιεί είτε νερό ή αέρα. Τα συστήματα ανοιχτού τύπου εκμεταλλεύονται κάποια υπόγεια δεξαμενή νερού ή υπόγεια νερά. Συγκεκριμένα υπάρχει ένα κύκλωμα σωληνώσεων για την άντληση και ένα για την απόρριψη είτε στην περίπτωση της χειμερινής ή της θερινής λειτουργίας. Σε μικρής κλίμακας συστήματα το ίδιο το νερό της δεξαμενής μπορεί να χρησιμοποιείται απ ευθείας στην αντλία (Kavannagh & Rafferty,1997). Η αντλία θερμότητας είναι μια μηχανική συσκευή η οποία αξιοποιεί τη βασική αρχή ότι η θερμότητα μετακινείται από μία περιοχή υψηλότερης θερμοκρασίας σε μία χαμηλότερης. Δεδομένων των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους μία γεωθερμική αντλία θερμότητας αποδίδει θερμότητα το χειμώνα στον χώρο που προορίζεται να θερμανθεί και δροσισμό το καλοκαίρι. Η αντλία θερμότητας αντλεί θερμότητα από μία πηγή χαμηλής θερμοκρασίας και την αποδίδει σε μία υψηλότερης θερμοκρασιακής βαθμίδας. Η διαδικασία περιλαμβάνει έναν κύκλο συμπίεσης, εξάτμισης, συμπύκνωσης και εκτόνωσης ατμών. Για την πραγματοποίηση του κύκλου χρησιμοποιείται κάποιο ψυκτικό μέσο το οποίο κυκλοφορεί στο εσωτερικό της αντλίας (FEDERAL ENERGY MANAGEMENT PROGRAMM- U.S.A Department of Energy) Η αντλία θερμότητας συνδέεται με το έδαφος με τον γεωεναλλάκτη. Ο γεωεναλλάκτης είναι ένα δίκτυο σωληνώσεων το οποίο τοποθετείται στο εσωτερικό του εδάφους και έχει ως βασικό σκοπό να μεταφέρει την αποθηκευμένη θερμότητα 80

110 4 Αβαθής γεωθερμία. από το έδαφος στο μέσο το οποίο κυκλοφορεί στο εσωτερικό του.. Η διάταξη των σωληνώσεων μεταβάλλεται ανάλογα με την περίπτωση κατά τέτοιο τρόπο ώστε να εξυπηρετεί τις εκάστοτε ανάγκες. Οι πιο διαδεδομένες μορφές απεικονίζονται στην εικόνα Α37. Υπάρχει η οριζόντια διάταξη με κάποιες παραλλαγές, καθώς και η κατακόρυφη (Omer,2008) Το σύστημα διανομής της θερμότητας σε ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας εξαρτάται από τη χρήση για την οποία προορίζεται. Σε περιπτώσεις κλιματισμού μεγάλων χώρων (ολόκληρων κτιρίων), το πιο συνηθισμένο σύστημα είναι το κεντρικό σύστημα κλιματισμού με αεραγωγούς που διοχετεύουν τον αέρα σε χώρους που η θερμοκρασία ρυθμίζεται αυτόματα. Σε μικρότερης κλίμακας εγκαταστάσεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αερόθερμα ενώ σε περίπτωση που το σύστημα προορίζεται μόνο για θέρμανση υπάρχει η δυνατότητα ενδοδαπέδιας θέρμανσης αλλά και οποιουδήποτε συστήματος το εργαζόμενο μέσο είναι το νερό. Φυσικά απαιτείται η χρήση και συνεργασία και άλλων συσκευών όπως κυκλοφορητές, δοχεία διαστολής, αντλίες (όπου χρειάζεται) όπως και σε κάθε σύστημα κλιματισμού. Εικόνα Α37 Διατάξεις γεωεναλλακτών (Πηγή: 81

111 4 Αβαθής γεωθερμία Γεωθερμική αντλία θερμότητας Εισαγωγή Η συγκεκριμένη εργασία αφορά τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Παρ όλα αυτά οι βασικές θερμοδυναμικές αρχές όπως και οι τεχνολογίες που διέπουν την αντλία θερμότητας ταυτίζονται με εκείνες της γεωθερμικής, με μοναδική διαφοροποίηση τη θερμοπηγή. Σ αυτή την ενότητα θα αναλυθούν οι βασικές αρχές γύρω από την τεχνολογία της αντλίας θερμότητας και θα εξηγηθούν οι βασικές έννοιες περιλαμβανομένων όλων των στοιχείων αυτών των συστημάτων και του τρόπου που συνεργάζονται Θερμοδυναμική ανάλυση Σύμφωνα με την υπόθεση του Clausius που επιβεβαιώνει το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί μία κυκλική διεργασία στην οποία η μόνη επίδραση είναι η μεταφορά θερμότητας από μία πηγή χαμηλού θερμοκρασιακού επιπέδου (T c ) σε μία υψηλότερου (T h ). Αυτό ισχύει αλλά αποδείχθηκε ότι με τη συμβολή πρόσθετης ενέργειας μπορεί να διαμορφωθεί ένα «δίκτυο» μεταφοράς της ενέργειας από μία θερμοπηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας σε μία υψηλότερης. Στο σχήμα Α16 γίνεται εμφανές ότι η πρόσθετη αυτή βοηθητική ενέργεια πρέπει να έχει τη μορφή έργου (W) (Baehr,2002). Σχήμα Α16 Αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας (Πηγή: Le Feuvre,2006) Αν και υπάρχουν αρκετοί θερμοδυναμικοί κύκλοι που μπορούν να προσεγγίσουν τη λειτουργία μιας αντλίας θερμότητας, ο ιδανικότερος είναι ο κύκλος εξάτμισης συμπύκνωσης ενός ψυκτικού μέσου. 82

112 4 Αβαθής γεωθερμία. Όπως είναι γνωστό η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται πάντα από ένα θερμότερο προς ένα ψυχρότερο σώμα. Το φαινομενικά παράδοξο με την αντλία θερμότητας είναι ότι λειτουργεί αντίθετα με αυτή την αρχή. Για την επεξήγηση των φαινομένων αυτών πρέπει πρώτα να γίνει μία αναδρομή στις βασικές έννοιες της θερμικής ενέργειας και να επιβεβαιωθεί η έννοια της θερμοκρασίας -που ουσιαστικά αποτελεί ένα όριο για τη θερμότητα. Η θερμική ενέργεια ενός σώματος, ή με αυστηρά θερμοδυναμικούς όρους η ενθαλπία του, δεν μπορεί να αυξηθεί αν δεν προστεθεί ενέργεια σε αυτό. Στην αντλία θερμότητας αυτό πραγματοποιείται με τη μορφή έργου συμπίεσης. Η υπόθεση αυτή έρχεται σε συμφωνία με το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα όπου αναφέρεται ότι είναι δυνατή η μετατροπή οποιασδήποτε μορφής μηχανικού έργου σε θερμότητα. Ο κύκλος του Carnot μπορεί να προσεγγίσει θεωρητικά και σε επίπεδο κατανόησης τη διεργασία αλλά σε καμία περίπτωση δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Παρ όλα αυτά μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμος σε επίπεδο κατανόησης της λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας. Ουσιαστικά αποτελείται από δύο ισόθερμες και δύο αδιαβατικές διεργασίες. Οι ισόθερμες είναι η εξάτμιση (AB) και η συμπύκνωση (CD), (Σχήμα Α17). Από την άλλη θεωρείται ότι η συμπίεση και η εκτόνωση του ψυκτικού μέσου είναι αδιαβατικές διεργασίες. Οι δύο πρώτες φάσεις αφορούν απορρόφηση ή απόρριψη θερμότητας προς μία πηγή είτε αυτή είναι το έδαφος, ο αέρας, νερό ή κάποιος χώρος. Στους μηχανισμούς συμπίεσης και εκτόνωσης θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα θερμοκρασιακή μεταβολή αλλά χωρίς ανταλλαγές θερμότητας με το περιβάλλον. Φυσικά όλες οι διεργασίες θεωρούνται αντιστρεπτές. Το διάγραμμα εντροπίας θερμοκρασίας απεικονίζει τον κύκλο του Carnot (Le Feuvre,2006). Σχήμα Α17 Διεργασίες αντλίας θερμότητας και παράσταση σε διάγραμμα Τ-S (Πηγή:Le Feuvre, 2006) Ο ιδανικός αντιστρεπτός κύκλος που περιγράφεται παραπάνω είναι αδύνατο να επιτευχθεί για τρεις βασικούς λόγους. Κατ αρχήν είναι δύσκολο να συμπιεστεί ένα διφασικό ρευστό καθώς η εξάτμιση θα συνεχίζεται και στη γραμμή κορεσμού. Δεύτερον κατά τη διάρκεια της συμπίεσης είναι δύσκολο να αποφευχθούν οι 83

113 4 Αβαθής γεωθερμία. απώλειες τριβής (άρα και η ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον) και συνεπώς να διαφυλαχθεί ο αδιαβατικός χαρακτήρας της. Τέλος το έργο της εκτόνωσης είναι πολύ μικρότερο από εκείνο της συμπίεσης και έτσι μπορεί η διεργασία να πραγματοποιηθεί από μία απλή βαλβίδα εκτόνωσης. Συνεπώς οι δύο διεργασίες δεν μπορούν να θεωρηθούν ισοδύναμες(le Feuvre,2006). Ο κύκλος εξάτμισης- συμπύκνωσης ατμών περιγράφεται καλύτερα σε ένα διάγραμμα πίεσης-ενθαλπίας καθώς αποτελείται από δύο ισοβαρείς διεργασίες και μία ισενθαλπική (Σχήμα Α18). Ουσιαστικά αποτελείται από τέσσερεις διεργασίες. Μία ισοβαρής εξάτμιση στον εξατμιστή ( Evaporator), η οποία περιγράφεται από τη διεργασία 1-2 στο διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης. Στη συνέχεια το εξατμισμένο μέσο συμπιέζεται στον συμπιεστή (Compressor) μία διεργασία που περιγράφεται από τη διεργασία 2-3. Κατά την έξοδο του από τον συμπιεστή είναι πλέον υπέρθερμος ατμός.. Στον συμπυκνωτή (Condenser) το ψυκτικό μέσο αποδίδει τη θερμότητα που έχει αποκτήσει κατά τη συμπίεση του μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας ουσιαστικά στο κύκλωμα που διανέμει τη θερμότητα στο χώρο (Παπακώστας,2004). Η διεργασία αυτή φαίνεται στο διάγραμμα στη διαδρομή 3-4. Τέλος μία εκτονωτική βαλβίδα ρίχνει την πίεση του ψυκτικού μέσου σε επίπεδα τέτοια ώστε να είναι εφικτή η εξάτμισή του σε θερμοκρασίες που προσεγγίζουν τις θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Παραπάνω περιγράφηκε η αλληλουχία των διεργασιών στην περίπτωση της λειτουργίας που αφορά τη θέρμανση. Συνήθως είναι απαραίτητη η χρήση εναλλακτών θερμότητας για να αποδώσουν και να απορροφήσουν τη θερμότητα που μεταφέρεται στον εξατμιστή και τον συμπιεστή αντίστοιχα. Πρακτικά στη συμπύκνωση γίνεται και η απόδοση της θερμότητας στο σύστημα διανομής θερμότητας που μπορεί να είναι νερού- αέρα ή και νερού-νερού (Le Feuvre,2006). Σχήμα Α18 Παράσταση του κύκλου εξάτμισης- συμπύκνωσης ατμών σε διάγραμμα Ρ-h (Πηγή: Le Feuvre,2006) 84

114 4 Αβαθής γεωθερμία. Ο κύκλος εξάτμισης-συμπύκνωσης ατμών αποτελεί ουσιαστικά έναν αντιστραμμένο κύκλο Rankine που είναι αυτός που χρησιμοποιείται σε μια ατμομηχανή. Αυτή η διαδικασία που φαίνεται παραπάνω είναι o κύκλος Rankine με τη διαφορά ότι το φέρον ρευστό κινείται σε αριστερόστροφη κατεύθυνση. Η ελκυστικότητα ενός συστήματος αντλιών θερμότητας μπορεί να αποδειχθεί μέσω του υπολογισμού του συντελεστή της απόδοσης (COP) (P.Le Feuvre 2006). Έργο συμπιεστή = h3 - h2 (7) Θερμότητα αποδιδόμενη στο συμπυκνωτή = h3 - h4 (8) Το έργο που δαπανήθηκε αποτελεί το έργο του συμπιεστή και η ωφέλιμη θερμότητα η θερμότητα που αποδίδεται στον συμπυκνωτή. Έτσι ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από τη σχέση: COP = ωφέλιμη θερμότητα (Th) / Έργο που δαπανήθηκε (Th-Tc) (9) Αν για παράδειγμα ληφθούν οι τιμές του διαγράμματος του σχήματος Α18 η τιμή που προκύπτει για τον COP είναι 2,77. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε kw ενέργειας που δαπανάται παράγονται περίπου 3. Η αντιστροφή του κύκλου οδηγεί σε ένα βαθμό απόδοσης πολύ διαφορετικό από εκείνο του κύκλου Rankine που δίνει μία απόδοση της τάξης του 30%. Για να γίνει κατανοητή η διαδικασία θα πρέπει να αναλυθούν και τα φαινόμενα αλλαγής φάσης του ψυκτικού μέσου που λαμβάνουν χώρα στη διάρκεια του κύκλου καθώς σ αυτό το σημείο εντοπίζεται πραγματικά ο λόγος που το θερμοδυναμικό αυτό σύστημα παρουσιάζει αυτή την αποδοτικότητα. Μια αλλαγή φάσης χαρακτηρίζεται από απότομες αλλαγές σε διάφορες θερμοδυναμικές ιδιότητες, όπως η θερμοχωρητικότητα και μία μικρή μεταβολή σε θερμοδυναμικές μεταβλητές όπως είναι η θερμοκρασία. Η αλλαγή από στερεό σε υγρό και αντίστοιχα σε αέριο αποτελούν τις λεγόμενες πρώτης τάξεως αλλαγές φάσης. Όταν πραγματοποιούνται αυτές απορροφάται ή αποδίδεται θερμότητα ανάλογα με την κατεύθυνση της αλλαγής. Έτσι στην περίπτωση που απορροφάται ενέργεια οι αντιδράσεις αυτές χαρακτηρίζονται ενδόθερμες και αντίστοιχα όταν αποδίδουν θερμότητα εξώθερμες. Η θερμότητα που απαιτεί το ψυκτικό μέσο για να αλλάξει φάση αντλείται από το περιβάλλον (το έδαφος στην περίπτωση που εξετάζεται), ενώ ενισχύεται το ενεργειακό του περιεχόμενο με τη θερμότητα που λαμβάνει μέσω του μηχανικού έργου στη φάση της συμπίεσης (Le Feuvre, 2006). Τα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας που συμβαίνουν στον εξεταζόμενο θερμοδυναμικό κύκλο, μπορούν να εξηγηθούν με μία απλή υπόθεση. Από τη στιγμή που όλες οι θερμοδυναμικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης και της θερμοκρασίας, ορίζονται πλήρως με τον όγκο και την πίεση μία αναλογία που θα χρησιμοποιηθεί μπορεί να δώσει μία πιο ξεκάθαρη εικόνα. Ένας χώρος ορισμένου όγκου περιέχει Χ μονάδες θερμότητας. Αν ο αέρας σε αυτό το χώρο συμπιεστεί σε έναν όγκο κατά πολύ μικρότερο από τον αρχικό δεν παύει να περιέχει την ποσότητα θερμότητας Χ που είχε αρχικά. Σε αυτή τη μορφή όμως η θερμική ενέργεια είναι πολύ πιο 85

115 4 Αβαθής γεωθερμία. συμπυκνωμένη με αποτέλεσμα η μέση θερμική ενέργεια ανά μονάδα όγκου να έχει υψηλότερη τιμή. Επιπρόσθετα εκτός από τις μονάδες Χ έχει προστεθεί και μία ποσότητα θερμότητας Υ που προέρχεται από τη μετατροπή του έργου σε θερμότητα κατά τη διαδικασία της συμπίεσης. Αν αυτός ο όγκος αέρα έρθει σε επαφή με ένα μέσο το οποίο διαθέτει μικρότερη μέση θερμική ενέργεια ανά μονάδα όγκου, τότε θα μεταφερθεί θερμότητα προς το δεύτερο μέχρι να επέλθει θερμική ισορροπία (π.χ με νερό σε έναν εναλλάκτη θερμότητας). Όταν ο όγκος επανέλθει στην αρχική του μορφή περιέχει ποσό ενέργειας μικρότερο της ποσότητας Χ που είχε στην αρχή της διεργασίας, έτσι μπορεί να απορροφήσει θερμότητα από το περιβάλλον του (π.χ το έδαφος) ώστε να την αποκαταστήσει. Κατά αυτόν τον τρόπο ο κύκλος επαναλαμβάνεται (Le Feuvre, 2006). Ως εργαζόμενο μέσο σε έναν κύκλο εξάτμισης- συμπύκνωσης ατμών χρησιμοποιείται κάποιο υγρό. Οι βασικότεροι λόγοι είναι ότι τα υγρά σε σχέση με τα αέρια προσεγγίζουν καλύτερα τις ισοθερμικές διεργασίες που απαιτεί ο κύκλος, ενώ ταυτόχρονα έχουν υψηλότερη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης γεγονός που καθιστά την αντλία θερμότητας αρκετά συμπαγή ως συσκευή Βαθμός απόδοσης (COP) Η απόδοση μιας αντλίας θερμότητας ορίζεται ο λόγος της ωφέλιμης ενέργειας προς την ενέργεια που δαπανάται (Παπακώστας,2004). Στην περίπτωση της λειτουργίας θέρμανσης ο βαθμός απόδοσης ορίζεται ως : COP h = Ενέργεια που προσδίδεται στο θερμαινόμενο χώρο(qh) (10) Ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση του συμπιεστή (W) Ενώ όσον αφορά την ψυκτική λειτουργία COP c = Ενέργεια που αφαιρείται από τον ψυχώμενο χώρο(qc) (11) Ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση του συμπιεστή (W) Ο βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας δεν είναι σταθερός από κατασκευής αλλά υπάρχει ένα εύρος τιμών στο οποίο μπορεί να κινηθεί και αυτό εξαρτάται από τον συνολικό σχεδιασμό του συστήματος ειδικά στις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Οι αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν ως πηγή θερμότητας τον αέρα πετυχαίνουν βαθμούς απόδοσης από 2-4 σε αντίθεση με τις γεωθερμικές που οι τιμές του βαθμού απόδοσης είναι υψηλότερος (3-5) (Παπακώστας,2004). Υπάρχουν και άλλοι δείκτες μέτρησης της απόδοσης μιας αντλίας θερμότητας (EER,HSPF) που χρησιμοποιούνται κυρίως στην αγγλοσαξωνική βιβλιογραφία και ουσιαστικά χρησιμοποιούν διαφορετικές μονάδες. Για τον βαθμό απόδοσης (COP), μία πιο χρηστική προσέγγιση είναι με τον προσδιορισμό του στιγμιαίου βαθμού απόδοσης που αντικαθιστά στους παραπάνω τύπους τον όρο της ενέργειας με τις αντίστοιχες 86

116 4 Αβαθής γεωθερμία. τιμές ηλεκτρικής ισχύος που αποδίδουν οι αντίστοιχες συσκευές. Η απόδοση των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας θα μελετηθεί σε διαφορετική ενότητα γιατί αποτελεί συνάρτηση πολλών παραγόντων και όχι μόνο της απόδοσης της αντλίας θερμότητας. Συγκεκριμένα εξαρτάται και από το σχεδιασμό του γεωεναλλάκτη, τη διαστασιολόγηση των υπόλοιπων συσκευών όσον αφορά την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν καθώς και τη συμμετοχή ή όχι βοηθητικών συστημάτων. Σχήμα Α19 Μεταβολή του COP συναρτήσει της θερμοκρασίας της θερμοπηγής (Πηγή:Energy saving trust,2007) Η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ της ζητούμενης (δηλαδή εκείνης που εξέρχεται το θερμό νερό από την αντλία θερμότητα) και της θερμοκρασίας που έχει η θερμοπηγή παίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση του συστήματος. Όσο μειώνεται αυτή η διαφορά αυξάνεται η απόδοση της αντλίας θερμότητας. Έτσι αυξάνοντας τη θερμοκρασία της θερμοπηγής ή μειώνοντας τη ζητούμενη υπάρχει η δυνατότητα βελτίωσης του βαθμού απόδοσης (Energy saving trust,2007). Στο σχήμα Α19 φαίνεται η διαφορά που σημειώνεται στον COP όταν η θερμοκρασία εξόδου από τους 45 0 C πέφτει στους 35 0 C. Η διαφορά αγγίζει τη μία μονάδα σχεδόν, γεγονός που μεταφράζεται σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας Κατασκευαστικά στοιχεία Στο σχήμα Α20 φαίνεται μία αναπαράσταση της αντλίας θερμότητας. Τα κύρια μέρη αυτής της συσκευής είναι ο συμπιεστής, ο συμπυκνωτής, ο εξατμιστής, η εκτονωτική διάταξη και μία τετράοδη βαλβίδα. Συμπιεστής: Αποτελεί το πιο σημαντικό μηχανικό μέρος των συστημάτων που εργάζονται βάσει του κύκλου συμπίεσης ατμών. Ο συμπιεστής είναι μία αντλία ατμού η οποία αναρροφά το ψυκτικό ρευστό το οποίο βρίσκεται ατμοποιημένο εξερχόμενο από τον εξατμιστή. 87

117 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α20 Σχηματικά αναπαράσταση συστήματος αντλίας θερμότητας (Πηγή:NIBE, 2012) Ο ρόλος του συμπιεστή είναι να συμπιέσει τους ατμούς σε υψηλότερη τιμή πίεσης από την αρχική τους. Συγχρόνως με αυτό τον τρόπο καλύπτει όποιες απώλειες πίεσης μπορεί να εμφανιστούν στις σωληνώσεις ή τα εξαρτήματα που συμμετέχουν στον κύκλο. Οι κυριότεροι τύποι που χρησιμοποιούνται στις αντλίες θερμότητας είναι οι ακόλουθοι (Παπακώστας,2004). Φυγοκεντρικοί συμπιεστές Κοχλιωτοί συμπιεστές Εμβολοφόροι συμπιεστές Σπειροειδής συμπιεστές Συμπιεστές τύπου τυμπάνου Αναλυτικότερη περιγραφή των επιμέρους κατηγοριών δε θα πραγματοποιηθεί στην παρούσα εργασία. Συμπυκνωτής: Ο συμπυκνωτής είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας και είναι το τμήμα της αντλίας θερμότητας στο οποίο πραγματοποιείται η απόρριψη θερμότητας. 88

118 4 Αβαθής γεωθερμία. Η εναλλαγή πραγματοποιείται μεταξύ του ψυκτικού μέσου και του αποδέκτη θερμότητας. Στη λειτουργία θέρμανσης ο συμπυκνωτής αποδίδει θερμότητα στο θερμαντικό μέσο του συστήματος διανομής (π.χ νερό) ή απευθείας στο χώρο που προβλέπεται να θερμανθεί. Κατά τη λειτουργία ψύξης απορρίπτει θερμότητα στο περιβάλλον. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι οι αερόψυκτοι και οι υδρόψυκτοι. Εξατμιστής: Ο εξατμιστής είναι επίσης ένας εναλλάκτης θερμότητας που απορροφά θερμότητα από κάποιο μέσο ή γενικά το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται και πραγματοποιείται με την εξάτμιση του ψυκτικού μέσου. Έτσι η εναλλαγή γίνεται μεταξύ του ψυκτικού μέσου και μίας πηγής ή αποδέκτη θερμότητας ανάλογα με τη χρήση (χειμερινή ή θερινή). Είναι εμφανές ότι ανάλογα με τη λειτουργία ο εξατμιστής και ο συμπυκνωτής έχουν την ικανότητα να αντιστρέφουν τη λειτουργία τους και αυτό δίνει στην αντλία θερμότητας τη δυνατότητα να δουλεύει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Οι κατηγορίες εξατμιστών είναι οι υδρόψυκτοι και οι αερόψυκτοι. Εκτονωτική διάταξη: Η εκτονωτική διάταξη έχει διπλό ρόλο. Κατ αρχήν να ρυθμίσει τη ροή του ψυκτικού μέσου από τον συμπυκνωτή στον εξατμιστή και δεύτερων να εξασφαλίσει την πτώση πίεσης του υγρού υψηλής πίεσης που εξέρχεται από τον συμπυκνωτή και να το μετατρέψει σε ένα διφασικό μίγμα υγρού- ατμού ώστε να είναι δυνατή η επανεκκίνηση του κύκλου. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με μία βαλβίδα στραγγαλισμού της ροής που μπορεί να είναι θερμοστατική βαλβίδα ή κάποιος τριχοειδής σωλήνας σπανιότερα (ASHRAE,2008). Τετράοδη βαλβίδα : Η τετράοδη αυτή βάνα είναι μία απλή συσκευή που εξασφαλίζει την αντιστροφή κύκλου. Η ενεργοποίηση της γίνεται μέσω συστημάτων αυτομάτου ελέγχου Ψυκτικά μέσα Τα ψυκτικά μέσα που χρησιμοποιούνται στις αντλίες θερμότητας αποτελούν ένα παράγοντα που επηρεάζει τη λειτουργία της συσκευής σε πολλαπλά επίπεδα. Εκτός από τη βασική τους χρήση που είναι η μεταφορά της θερμότητας επηρεάζουν τη φθορά των υλικών, ενισχύουν τη λίπανση και τις γενικότερες συνθήκες λειτουργίας. (Kavanaugh,2007). Σημαντική παράμετρος για την επιλογή του ψυκτικού μέσου αποτελεί η προστασία του περιβάλλοντος. Με τη χρήση των ψυκτικών ρευστών γίνεται δυνατή η μεταφορά θερμότητας από ένα μέσο σε κάποιο άλλο καθώς έχουν την ιδιότητα να εξατμίζονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Στις αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες στου οποίους έχει αντικατασταθεί κάποια άτομα υδρογόνου (H) από άτομα χλωρίου (Cl) ή φθορίου (F). Έτσι οι κυριότερες κατηγορίες είναι 1. Οι χλωροφθοράνθρακες (CFC) 2. Οι Υδροχλωροφθοράνθρακες (HCFC) 3. Οι υδροφθοράνθρακες (HFC) 89

119 4 Αβαθής γεωθερμία. Οι χλωροφθοράνθρακες χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν συστηματικά ως ψυκτικό μέσο. Στα πλεονεκτήματα τους συγκαταλέγονται οι πολύ καλές θερμοδυναμικές ιδιότητες καθώς και η ασφάλεια της χρήσης (Παπακώστας 2004). Παρ όλα αυτά πλέον έχει περιορισθεί η χρήση τους στις ανεπτυγμένες χώρες καθώς συμβάλλουν στο φαινόμενο της τρύπας του Όζοντος (Kavanaugh,2007). Οι υδροχλωροφθοράνθρακες επίσης καταστρέφουν το Όζον αλλά όχι σε τόσο μεγάλο βαθμό- έχει δρομολογηθεί η αντικατάσταση τους στη βιομηχανία κλιματισμού (ΝΙΒΕ, 2009). Οι υδροφθοράνθρακες δεν καταστρέφουν το Όζον της ατμόσφαιρας και συγκεντρώνουν αρκετά από τα πλεονεκτήματα των προαναφερθέντων κατηγοριών. Χρησιμοποιούνται ευρέως και τείνουν να αντικαταστήσουν πλήρως τα κλασσικά ψυκτικά μέσα. Το μόνο μειονέκτημα τους είναι ότι αν διαρρεύσουν στην ατμόσφαιρα παραμένουν παγιδευμένα στα ανώτερα στρώματα και ενισχύουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου (Παπακώστας,2004). Τα ψυκτικά μέσα χαρακτηρίζονται από το γράμμα R και συνοδεύονται από 2 ή τρεις αριθμούς. Οι αριθμοί αυτοί εκφράζουν τα άτομα H, Cl και F στη χημική ένωση. (R12, R22, R134a κτλ) (Παπακώστας,2004) Γεωεναλλάκτης Βασικές έννοιες Ο γεωεναλλάκτης είναι ένα δίκτυο σωληνώσεων το οποίο εξασφαλίζει τη μεταφορά θερμότητας από το έδαφος προς τον χώρο που προορίζεται να θερμανθεί ή αντίστροφα από το χώρο που προορίζεται να ψυχθεί προς το έδαφος. Η παρουσία του γεωεναλλάκτη είναι καθοριστική καθώς πρέπει να εξασφαλίσει αποδοτική μεταφορά της θερμότητας. Συνήθως η σειρά αυτή των σωληνώσεων τοποθετείται κάτω από το χώρο που πρόκειται να κλιματιστεί ή δίπλα ή κατακόρυφα με κατεύθυνση προς το εσωτερικό του εδάφους. Για να ενισχυθεί η αποδοτικότητα του μηχανισμού μία αντλία θερμότητας συνδέεται με τον γεωεναλλάκτη (Florides & Kalogirou,2007) Τύποι γεωεναλλακτών Δύο είναι οι βασικές κατηγορίες γεωεναλλακτών που αφορούν την αρχή λειτουργίας τους. Οι ανοιχτού βρόχου (open loop) και κλειστού βρόχου (closed loop). Στα συστήματα ανοιχτού βρόχου το έδαφος θερμαίνει ένα μέσο το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα στον κύκλο της αντλίας θερμότητας. Αντίθετα στα κλειστού βρόχου το έδαφος λειτουργεί επίσης ως θερμοπηγή αλλά η θερμότητα του μεταφέρεται στο ψυκτικό μέσο με ένα ενδιάμεσο μέσο θέρμανσης που κυκλοφορεί στο γεωεναλλάκτη (Florides & Kalogirou,2007). Συστήματα ανοιχτού βρόχου: Στα συστήματα ανοιχτού βρόχου δεν υφίσταται κλειστή διαδρομή. Η γεωεναλλαγή πραγματοποιείται με δύο ξεχωριστές διαδρομές 90

120 4 Αβαθής γεωθερμία. και για αυτά τα συστήματα συνήθως απαιτείται κάποια υπόγεια δεξαμενή νερού. Η μία πηγή χρησιμοποιείται για την άντληση και μία για την απόρριψη. Οι σωλήνες που μεταφέρουν το νερό μπορούν να έρχονται απευθείας σε επαφή με τον εξατμιστή που βρίσκεται στην αντλία θερμότητας (Florides & Kalogirou,2007). (Σχήμα Α21). Συστήματα κλειστού βρόχου: Στα συστήματα κλειστού βρόχου ένας γεωεναλλάκτης κλειστής διαδρομής τοποθετείται στο εσωτερικό του εδάφους σε οριζόντια, ή κατακόρυφη τοποθέτηση. Στον γεωεναλλάκτη κυκλοφορεί ένα ενδιάμεσο μέσο που μπορεί να είναι νερό ή νερό με αντιψυκτικό και είναι αυτό που μεταφέρει τη θερμότητα από το έδαφος στην αντλία θερμότητας και το αντίστροφο (Florides & Kalogirou,2007). Στην περίπτωση των συστημάτων κλειστού βρόχου υπάρχει και ένας δεύτερος διαχωρισμός που αφορά την άμεση ή έμμεση εξάτμιση του ψυκτικού μέσου. Στα έμμεσης εξάτμισης συμβαίνει ότι ακριβώς περιγράφηκε παραπάνω με τη συμμέτοχή ενός ενδιάμεσου μέσου. Στα άμεσης εξάτμισης (Direct Expansion DX), το ψυκτικό μέσο κυκλοφορεί στον γεωεναλλάκτη ο οποίος αποτελεί ουσιαστικά κομμάτι της αντλίας θερμότητας. Εδώ χρησιμοποιούνται χαλκοσωλήνες σε αντίθεση με τα έμμεσης που χρησιμοποιούνται σωλήνες πολυαιθυλενίου. Τα συστήματα άμεσης εξάτμισης είναι πιο αποτελεσματικά καθώς υπάρχει άμεση μεταφορά θερμότητας από το έδαφος στο ψυκτικό μέσο και δεν απαιτείται επιπλέον κυκλοφορητής. Αυτό σημαίνει μικρότερο μήκος γεωεναλλάκτη για μία δεδομένη τιμή αποδιδόμενης θερμότητας σε σχέση με τα έμμεσης εξάτμισης. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν το μειονέκτημα ότι απαιτούν μεγάλες ποσότητες ψυκτικού μέσου ενώ ταυτόχρονα υπάρχει ο φόβος της διαρροής. Συνηθίζεται να χρησιμοποιείται σε μικρές εγκαταστάσεις και γενικά απαιτεί πιο προσεχτικό σχεδιασμό. Γι αυτό το λόγο τα συστήματα έμμεσης κυκλοφορίας είναι πιο διαδεδομένα (Energy saving trust, 2007). Σχήμα Α21 Σύστημα γεωεναλλαγής ανοιχτού βρόχου (Πηγή: Florides & Kalogirou,2007) 91

121 4 Αβαθής γεωθερμία. Τα συστήματα κλειστού βρόχου χωρίζονται ανάλογα με την τοποθέτηση σε δύο μεγάλες κατηγορίες στα οριζόντιας και κατακόρυφης τοποθέτησης. Συστήματα οριζόντιας τοποθέτησης. Οι οριζόντιες εγκαταστάσεις απαιτούν μεγάλη επιφάνεια, χωρίς σκληρά πετρώματα. Είναι ιδανικές για μικρές εγκαταστάσεις και συνήθως για καινούριες κατασκευές (Rawlings,1999). Το βάθος στο οποίο θα τοποθετηθούν οι σωληνώσεις μεταβάλλεται ανάλογα με την περιοχή. Γενικά μία εγκατάσταση σε βάθος μεγαλύτερο του 1,5 μέτρου εξασφαλίζει σταθερότερες συνθήκες αλλά αυξάνει το κόστος. Στις ΗΠΑ προτείνεται η εγκατάσταση σε βάθη από 1,2-1,8 μέτρα (Rawlings,1999). Στη Σουηδία αποδείχθηκε ότι η καλύτερη απόδοση επιτυγχάνεται σε πολύ μικρά βάθη από 0,5-1 μέτρο (Rudorf,2008). Γενικά το κόστος των σκαπτικών είναι υψηλότερο από το κόστος αγοράς των σωληνώσεων και γι αυτό το λόγο ένα σύστημα μπορεί να αποδειχθεί αποδοτικότερο οικονομικά αν σε ένα χαντάκι τοποθετούνται πάνω από μία σειρά σωληνώσεων (Rawlings,1999). Τα οριζόντια συστήματα μπορεί να χωριστούν σε τρείς υποκατηγορίες μονοσωλήνια, πολλαπλών σωλήνων και σπειροειδούς τοποθέτησης. Σε γενικές γραμμές θεωρούνται φθηνότερες εγκαταστάσεις καθώς απουσιάζει το κόστος της γεώτρησης. Απαιτούν παρ όλα αυτά μεγαλύτερο μήκος σωληνώσεων από την κατακόρυφη εγκατάσταση διότι το επίπεδο θερμοκρασίας σε αυτά τα βάθη τοποθέτησης είναι πολύ χαμηλότερα σε σχέση με εκείνα της κατακόρυφης εγκατάστασης (New York State Energy Research and Development Authority,2007). Ο γεωεναλλάκτης στην περίπτωση του μονοσωλήνιου συστήματος αποτελείται από μία διαδρομή σωληνώσεων στην οποία κυκλοφορεί το νερό και απορροφά θερμότητα από το έδαφος. Στην σχήμα Α22 φαίνεται μία τέτοια εγκατάσταση. Τα μονοσωλήνια συστήματα παρουσιάζουν προβλήματα πτώσης πίεσης στο κύκλωμα και γενικά αποφεύγονται. Είναι κατάλληλα για μικρότερες εγκαταστάσεις. Βέβαια παρουσιάζουν πολύ καλή συμπεριφορά όσον αφορά την μεταφορά θερμότητας από το έδαφος προς τον γεωεναλλάκτη (Kavannagh & Rafferty,1997). Στα συστήματα πολλαπλών σωληνώσεων προτιμάται πολλές φορές η τοποθέτηση περισσότερων από μίας διαδρομής σε κάθε αυλάκι. Κατ αυτό τον τρόπο περιορίζεται η δεσμευόμενη επιφάνεια για την εγκατάσταση του γεωεναλλάκτη. Τα συστήματα πολλαπλών σωληνώσεων λειτουργούν χωρίς σημαντικές απώλειες πίεσης στο κύκλωμα, χρησιμοποιούν μικρότερους κυκλοφορητές αλλά εν τέλει απαιτείται μεγαλύτερο μήκος σωληνώσεων ώστε να υπερνικηθούν οι απώλειες θερμότητας που παρατηρούνται λόγω των παρακείμενων σωληνώσεων (Kavannagh & Rafferty,1997). (Σχήμα Α22). 92

122 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α22 Οριζόντια συστήματα γεωεναλλαγής κλειστού τύπου (Πηγή: (Πηγή:Florides & Kalogirou,2007) Τέλος τα συστήματα σπειροειδούς τοποθέτησης χρειάζονται τη μικρότερη επιφάνεια ώστε να επιτύχουν την απαιτούμενη θερμική απορρόφηση. Το μόνο μειονέκτημα τους είναι ότι η αρχική τους διαμόρφωση πρέπει να γίνει με προσοχή ώστε να μην υπάρχουν διαρροές στο σύστημα (Σχήμα Α23). Οι συνηθέστερες τοποθετήσεις των σωληνώσεων σε ένα οριζόντιο σύστημα απεικονίζονται στο σχήμα Α24. Η τοποθέτηση γίνεται έτσι ώστε να αποφευχθεί η θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ των σωλήνων. Τα συστήματα αυτά επηρεάζονται έντονα από την ηλιακή ακτινοβολία αλλά παραμένουν πιο αποδοτικά από μία αντλία θερμότητας με θερμοπηγή τον αέρα (Said et al,2009). Σχήμα Α23 Οριζόντιο σύστημα γεωεναλλαγής κλειστού βρόχου σπειροειδούς διάταξης (Πηγή: 93

123 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α24 Τυπικές τοποθετήσεις σωληνώσεων οριζόντιου γεωεναλλάκτη (Πηγή:Said et al,2006) Συστήματα κατακόρυφης τοποθέτησης Τα συστήματα στα οποία ο συλλέκτης τοποθετείται κατακόρυφα, απαιτούν μικρότερη επιφάνεια και χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις όπου ο χώρος είναι περιορισμένος (Rawlings,1999).Επίσης μπορούν να τοποθετηθούν σε περισσότερους τύπους εδάφους- ακόμα και με πετρώδη σύσταση αρκεί να έχουν τις κατάλληλες θερμικές ιδιότητες. Συνήθως κατασκευάζονται με την τοποθέτηση δύο σωλήνων πολυαιθυλενίου μικρής διαμέτρου σε μία γεώτρηση. Οι σωλήνες είναι θερμικά επεξεργασμένοι ώστε στην βάση της γεώτρησης να διαμορφώνεται μια κλειστή στροφή επιστροφής τύπου U. Οι γεωτρήσεις έχουν βάθος από μέτρα και η διάνοιξη γίνεται με τις μεθόδους που ακολουθούνται για τις διανοίξεις φρεατίων. ( Kavannagh & Rafferty,1997). Αφού τοποθετηθούν οι σωληνώσεις οι γεωτρήσεις επιχωματώνονται και πληρώνονται με ρευστό κονίαμα ώστε να υδρομονωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η γεώτρηση. Στη συνέχεια οι κατακόρυφοι σωλήνες οδηγούνται σε συλλέκτες που συνδέονται με την αντλία θερμότητας (Minister of Natural Resources Canada,2005). 94

124 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α25 Σύστημα κατακόρυφης τοποθέτησης γεωεναλλακτών (Πηγή: Minister of Natural Resources Canada 2005) Οι κατακόρυφες εγκαταστάσεις είναι πιο αποδοτικές καθώς επηρεάζονται λιγότερο από τις θερμοκρασιακές μεταβολές της ατμόσφαιρας. Είναι πιο δαπανηρές εγκαταστάσεις αλλά απαιτούν λιγότερο συνολικό μήκος σωληνώσεων για να επιτύχουν τα επιθυμητά αποτελέσματα σε σχέση με τα οριζόντια συστήματα (Minister of Natural Resources Canada,2005) Υλικά Το υλικό των σωληνώσεων που θα επιλεγεί επηρεάζει μια σειρά από παράγοντες του συνολικού συστήματος. Επηρεάζεται ουσιαστικά ο χρόνος ζωής, η μεταφορά θερμότητας από το έδαφος προς το εργαζόμενο μέσο, τα έξοδα συντήρησης αλλά και έμμεσα η απόδοση της αντλίας θερμότητας. Η πιο διαδεδομένη επιλογή είναι οι σωλήνες πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας. Έχουν πολύ καλές θερμικές ιδιότητες,είναι αρκετά ευλύγιστοι και μπορούν να ενωθούν με απλή θερμική επεξεργασία. Η διάμετρος τους πρέπει να είναι τέτοια ώστε να εξασφαλίζεται όσο το δυνατόν μικρότερη ενεργειακή απαίτηση για άντληση ενώ ταυτόχρονα να δημιουργεί τις συνθήκες τυρβώδους ροής στα τοιχώματα ώστε να διευκολύνονται οι μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας. Οι συνηθέστερες διάμετροι βρίσκονται ανάμεσα στα 20mm- 40mm. Στα συστήματα άμεσης εξάτμισης ή άμεσης εκτόνωσης χρησιμοποιούνται χαλκοσωλήνες με διάμετρο περίπου 12mm-15mm. Πολλές φορές ανάλογα με τη φύση του εδάφους απαιτείται μία επιπλέον πλαστική επικάλυψη (Energy saving trust, 2007). 95

125 4 Αβαθής γεωθερμία Εργαζόμενο μέσο Στο εσωτερικό του γεωεναλλάκτη κυκλοφορεί συνήθως νερό. Η απαίτηση για κάποιο αντιψυκτικό προκύπτει μόνο σε περιπτώσεις όπου υπάρχει η πιθανότητα να παγώσει (Kavannagh & Rafferty,1997). Οι συνηθέστερες επιλογές είναι κάποιο μίγμα γλυκόλης. Οποιαδήποτε προσθήκη αντιψυκτικού πρέπει να γίνεται μελετημένα καθώς πολλά αντιψυκτικά μίγματα συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που περιλαμβάνουν γλυκόλη μπορεί να επηρεάσει το ιξώδες. Ως αποτέλεσμα μπορεί να προκύψει ένα πιο παχύρευστο υγρό το οποίο απαιτεί περισσότερη ενέργεια για την άντληση του μειώνοντας τον βαθμό απόδοσης του συνολικού συστήματος Διανομής της θερμότητας Ο τρόπος με τον οποίο θα πραγματοποιηθεί η διανομή της θερμότητας στο χώρο εξαρτάται από το μέσο το οποίο χρησιμοποιείται. Δύο επιλογές υπάρχουν μέχρι σήμερα οι αντλίες θερμότητας εδάφους-νερού και οι εδάφους-αέρα. Κατασκευαστικά δεν εμφανίζουν κάποια διαφοροποίηση απλά μεταβάλλεται το δευτερεύων κύκλωμα της αντλίας θερμότητας. Συγκεκριμένα στα συστήματα εδάφους- νερού υπάρχει υδρόψυκτος εναλλάκτης θερμότητας στο συμπυκνωτή και ουσιαστικά το νερό διανέμει τη θερμότητα με τα συστήματα διανομής που είναι ήδη γνωστά (ενδοδαπέδια, θερμαντικά σώματα ή μέσω αερόθερμων). Στη δεύτερη περίπτωση αντί του υδρόψυκτου εναλλάκτη υπάρχει αερόψυκτος που τροφοδοτεί με θερμό ή ψυχρό αέρα σύστημα αεραγωγών (Παπακώστας,2004). Οι αντλίες εδάφους αέρα είναι ιδανικότερες για εφαρμογές που αντιστρέφεται η λειτουργία της αντλίας θερμότητας. Τα συστήματα διανομής της θερμότητας δε διαφοροποιούνται από τα ήδη διαδεδομένα στις εφαρμογές θέρμανσης και δροσισμού Συμπληρωματικός εξοπλισμός Ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας περιλαμβάνει και συμπληρωματικό εξοπλισμό ο οποίος συνοδεύει και άλλα συστήματα κλιματισμού. Ο ρόλος του είναι να εξασφαλίσει την ορθή λειτουργία του συστήματος. Αντλίες/ Κυκλοφορητές: Εφ όσον το σύστημα περιλαμβάνει κλειστά κυκλώματα σωληνώσεων στα οποία κυκλοφορούν ρευστά- είναι απαραίτητη η παρουσία συσκευών που θα διασφαλίζουν τη ροή τους. Στο σύστημα διανομής συνήθως απαιτείται η παρουσία κυκλοφορητή. Η μεθοδολογία διαστασιολόγησης του βασίζεται στον υπολογισμό της πτώσης πίεσης στις σωληνώσεις και η λεπτομερής παρουσία της δεν είναι στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Σε γενικές γραμμές η δυναμικότητα του θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ξεπερνάει την πτώση πίεσης των σωληνώσεων. Στο κύκλωμα της γεωεναλλαγής διαφοροποιείται η διαδικασία επιλογής. Συγκεκριμένα στα κατακόρυφα συστήματα είναι απαραίτητη η αντλία καθώς το βάθος της γεώτρησης είναι τέτοιο που ένας απλός κυκλοφορητής δε μπορεί να ανταπεξέλθει στις ανάγκες. Στα οριζόντια συστήματα κατ επιλογή και ανάλογα 96

126 4 Αβαθής γεωθερμία. με το μέγεθος μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυκλοφορητής ή αντλία όπου είναι αναγκαίο. Δοχείο διαστολής : Το δοχείο διαστολής είναι μία διάταξη απαραίτητη σε όλα τα συστήματα θέρμανσης. Το νερό όταν θερμαίνεται διαστέλλεται και αυτό σε ένα κύκλωμα σωληνώσεων είναι πιθανό να προκαλέσει πιέσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε φθορά (ΝΙΒΕ,2009). Το δοχείο διαστολής παραλαμβάνει αυτές τις πιέσεις ώστε να μην υπάρξουν τα προαναφερθέντα προβλήματα. Υπάρχουν ανοιχτά και κλειστά προς την ατμόσφαιρα δοχεία διαστολής. Η επιλογή τους εξαρτάται από την εκάστοτε εγκατάσταση. Σύστημα ελέγχου : Τα συστήματα ελέγχου και αυτόματης ρύθμισης της εγκατάστασης δε διαφοροποιούνται από ένα συμβατικό σύστημα θέρμανσης. Περιλαμβάνουν όλα εκείνα τα συστήματα και συσκευές που θέτουν το σύστημα σε λειτουργία (θερμοστάτες, βάνες ανάμιξης, θερμοστατικές βαλβίδες κτλ) (Παπακώστας,2004) Θερμικά μοντέλα μετάδοσης θερμότητας σε σωλήνες Ο κύριος τρόπος με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα προς τις σωληνώσεις και ακολούθως στο ρευστό το οποίο κυκλοφορεί στο εσωτερικό του είναι με αγωγή. Τα θερμικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί είναι η βάση πάνω στην οποία διαστασιολογείται ο γεωεναλλάκτης. Οι κυριότερες μέθοδοι υπολογισμού ενός γεωεναλλάκτη βασίζονται στην εξίσωση αυτή και η ανάλυση της θα γίνει σε επόμενη ενότητα. Γενικά ένα θερμικό μοντέλο μπορεί να καταστρωθεί κάνοντας κάποιες παραδοχές. Η επεξεργασία και η εξαγωγή ενός ακριβούς μοντέλου απαιτεί χρόνο και πολλά δεδομένα. Πολλές φορές η λεπτομέρεια και ακρίβεια του μοντέλου εξαρτάται από την εφαρμογή, συνεπώς πρέπει να γίνει κατανοητό το επίπεδο της λεπτομέρειας που χρειάζεται στην κάθε περίπτωση (Modisette,2002). Οι βασικότεροι παράγοντες για την εξαγωγή ενός σωστού θερμικού μοντέλου αναλύονται παρακάτω. Κατ αρχήν πρέπει να προσδιοριστεί η θερμική συμπεριφορά των ρευστών όταν βρίσκονται στο εσωτερικό ενός σωλήνα. Αυτό περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των απωλειών θερμότητας από το ρευστό προς το έδαφος καθώς και παραδοχές που αφορούν ποιο κομμάτι των απωλειών κινητικής ενέργειας του ρευστού λόγω τριβών με το σωλήνα μεταφέρεται στα τοιχώματα του σωλήνα και ποιο στο ίδιο το ρευστό(modisette, 2002). Η βασική σχέση που περιγράφει την ενεργειακή συμπεριφορά του ρευστού είναι η αρχή διατήρησης της ενέργειας όπου ενέργεια μπορεί να προστεθεί στο υγρό (μέσω αντλιών ή συμπιεστών), να αφαιρεθεί μέσω μετάδοσης προς το έδαφος ή να μεταβληθεί η εσωτερική του ενέργεια μέσω απορρόφησης θερμότητας είτε από το έδαφος ή από το μηχανισμό τριβής όπως αναφέρθηκε πριν. Η εξίσωση που περιγράφει καλύτερα τους παραπάνω μηχανισμούς σε ένα ρευστό είναι η εξίσωση της ενέργειας. dt dt dp f 3 4 U cvv T v ( T Tg ) (12) dt dx dt 2d d 97

127 4 Αβαθής γεωθερμία. ρ : πυκνότητα του ρευστού Τ : θερμοκρασία του ρευστού ν : ταχύτητα του ρευστού c v : Ειδική θερμότητα του ρευστού υπό σταθερό όγκο f : Συντελεστής τριβής Darcy d: Εσωτερική διάμετρος σωλήνα U: Σταθερά θερμικών απωλειών Tg : Θερμοκρασία εδάφους Το αριστερό κομμάτι της εξίσωσης αφορά την μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του ρευστού λόγω μεταβολών της θερμοκρασίας. Στο δεύτερο μέλος ο πρώτος όρος υπολογίζει τη μεταβολή της ενέργειας στο ρευστό εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας που παρουσιάζει μεταξύ της εισόδου και της εξόδου σε ένα δεδομένο όγκο ελέγχου. Ο δεύτερος όρος αφορά τις μεταβολές θερμοκρασίας λόγω συμπίεσης ή εξάτμισης του ρευστού στο εσωτερικό του σωλήνα και αφορά κυρίως αέρια. Ο τρίτος όρος παριστάνει τις απώλειες λόγω τριβής του ρευστού με τα τοιχώματα του σωλήνα ενώ τέλος ο τέταρτος όρος είναι η θερμότητα που μεταφέρεται προς το περιβάλλον του σωλήνα (στην προκειμένη περίπτωση είναι το έδαφος), λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς. Εκτός από τη συμπεριφορά του ρευστού πρέπει να ληφθεί υπ όψιν και η συμπεριφορά του εδάφους και πως αυτό μεταφέρει θερμική ενέργεια στο ρευστό. Εδώ η μετάδοση θερμότητας γίνεται με αγωγή και μόνο καθώς δεν υπάρχει κίνηση και η σχέση που περιγράφει το μηχανισμό μετάδοσης θερμότητας είναι ο νόμος του Fourier για την αγωγή. q At k (13) l q : ένταση θερμικού ρεύματος k : Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας με αγωγή Α: Επιφάνεια Δt: Διαφορά θερμοκρασίας προς την κατεύθυνση μεταφοράς της θερμότητας l: Πάχος υλικού Οι δύο αυτές βασικές αρχές είναι τα θεμέλια των κυριότερων θερμικών μοντέλων που περιγράφουν τη συμπεριφορά σωλήνων που βρίσκονται θαμμένοι στο έδαφος. Τα κυριότερα είναι το μοντέλο που συνδυάζει τα μεταβατικά φαινόμενα της μετάδοσης 98

128 4 Αβαθής γεωθερμία. θερμότητας και την υδραυλική. Σ αυτό το μοντέλο λύνονται ταυτόχρονα οι εξισώσεις μάζας, ενέργειας και ορμής καθώς και οι εξισώσεις μετάδοσης της θερμότητας. Αν και θεωρείται το πιο ακριβές απαιτεί αρκετές παραδοχές με αποτέλεσμα να εμφανίζει σφάλματα. Άλλες προσεγγίσεις είναι του ισοθερμικού μοντέλου που θεωρεί σταθερή θερμοκρασία κατά μήκος του σωλήνα, καθιστώντας το επιρρεπές σε σφάλμα καθώς βασίζεται σε μία υπόθεση που επηρεάζει θεμελιωδώς το πρόβλημα. Στην περίπτωση των υγρών το μοντέλο των οιονεί στατικών καταστάσεων μπορεί να δώσει μία καλή λύση καθώς στην εξίσωση της ενέργειας μηδενίζεται το πρώτο μέλος και ουσιαστικά η επίδραση του χρόνου φαίνεται στον πρώτο όρο του δεξιού μέλους. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι παύει η εξίσωση της ενέργειας να χρησιμοποιηθεί συνδυαστικά με τις υπόλοιπες εξισώσεις ενώ κατά δεύτερων παραλείπει πολλές θερμικές αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας την οιονεί στατική συνθήκη και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σφάλμα. Υπάρχει η δυνατότητα επίλυσης της εξίσωσης της ενέργειας ξεχωριστά από την εξίσωση της μάζας και της ορμής χρησιμοποιώντας δεδομένα από προηγούμενες χρονικά λύσεις των δύο εξισώσεων, όπως και τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται από την εξίσωση της ενέργειας προηγούνται χρονικά των εξισώσεων μάζας και ορμής. Το μειονέκτημα του μοντέλου είναι αυτό που το κάνει και πιο ευέλικτο δηλαδή το γεγονός ότι χρησιμοποιεί έτοιμες τιμές οι οποίες όμως δεν αφορούν τη δεδομένη χρονική στιγμή. Τέλος υπάρχει και το μοντέλο που θεωρεί ορισμένα εκ των φαινομένων οιονεί στατικά και άλλα μεταβλητά με το χρόνο στιγμιαία. Τα πλεονεκτήματα του μοντέλου όπως και του εξ ολοκλήρου οιονεί στατικού είναι ότι μπορεί να λυθεί αναλυτικά καθιστώντας το γρήγορο και απλούστερο. Θεωρώντας όμως όρους οιονεί στατικούς (συνήθως τον δεύτερο όρο του δεύτερου μέλους της εξίσωσης της ενέργειας) ενδέχεται να χαθούν μεταβατικά φαινόμενα που μπορεί να παίζουν σημαντικό ρόλο στις ενεργειακές μεταβολές του ρευστού (Modisette,2002). Όσον αφορά το θερμικό μοντέλο του εδάφους μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένα μοντέλο ανεξάρτητο από εκείνο που αφορά το ρευστό. Ο λόγος είναι ότι οι μεταβλητές που τα συνδέουν είναι σταθερές (U, Tg) ενώ ακόμα οι μεταβολές στη θερμική κατάσταση του εδάφους πραγματοποιείται με αργούς ρυθμούς και δεν επηρεάζεται στιγμιαία από το ρευστό. Εφ όσον στην περίπτωση του εδάφους μόνο η αγωγή είναι σημαντική το μοντέλο υπόκειται σε μια εξίσωση διάχυσης η οποία είναι πολύ πιο απλή στη λύση τόσο από τα οιονεί στατικά μοντέλα όσο και από τις εξισώσεις που περιλαμβάνουν χρόνο και τα φαινόμενα μετάβασης. Το μόνο που είναι απαραίτητο είναι η περιγραφή της γεωμετρίας της περιοχής ενδιαφέροντος καθώς και των οριακών συνθηκών (Modisette,2002). Λαμβάνοντας υπ όψιν τον παραπάνω συλλογισμό έχει εξαχθεί και το βασικό μοντέλο που περιγράφει τη μετάδοση θερμότητας σε γεωεναλλάκτη. Η εξίσωση που προσεγγίζει με τον καλύτερο τρόπο τον εν λόγω μηχανισμό είναι της μεταφοράς θερμότητας σε έναν κύλινδρο που είναι θαμμένος στο χώμα (Carslaw & Jaeger,1947). Πάνω σ αυτό το μοντέλο έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές προσομοιώσεις ακόμα και σε τρισδιάστατα μοντέλα ώστε να μελετηθεί η απόκριση του γεωεναλλάκτη σε 99

129 4 Αβαθής γεωθερμία. πραγματικές συνθήκες και να εξετασθεί η ταύτιση με το γραμμικό μοντέλο μετάδοσης της θερμότητας (Schiavi,2009). Η ανάλυση της εξίσωσης θα γίνει σε επόμενη ενότητα όπου και θα παρουσιαστεί ο υπολογισμό του γεωεναλλάκτη. 4.3 Σχεδιασμός συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Περιγραφή της μεθόδου Τα βήματα που ακολουθούνται στο σχεδιασμό των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας, σε γενικές γραμμές μοιάζουν με τις μεθόδους που ακολουθούνται στο σχεδιασμό οποιουδήποτε συστήματος θέρμανσης. Παρακάτω παρουσιάζεται η διαδικασία επιγραμματικά. 1. Προσδιορισμός θερμικών απωλειών/ κερδών του χώρου που προορίζεται να κλιματιστεί. 2. Επιλογή αντλίας θερμότητας βάσει της δυναμικότητα και αποτελεσματικότητας της έτσι ώστε να καλύπτει τα παραπάνω φορτία, όπου είναι απαραίτητο λαμβάνονται υπ όψιν και άλλα συμπληρωματικά κριτήρια όπως ο θόρυβος, το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας κτλ. 3. Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της θερμοπηγής ανάλογα με το είδος της. Στην περίπτωση που είναι το έδαφος απαιτείται ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του όπως οι θερμικές του ιδιότητες, διαστασιολόγηση του κυκλώματος της γεωεναλλαγής (συνολικό μήκος σωληνώσεων, διάμετρος σωληνώσεων, υλικό σωληνώσεων, υλικό πλήρωσης της τάφρου ή της γεώτρησης κτλ). Στην περίπτωση που η θερμοπηγή είναι κάποια υπόγεια δεξαμενή με νερό χρειάζεται να εξακριβωθεί η ποιότητα του ύδατος, να καθοριστεί η ροή, να προσδιοριστεί η μέθοδος της απόρριψης του νερού καθώς και το μήκος και τα χαρακτηριστικά του γεωεναλλάκτη όπως παραπάνω. 4. Σχεδιασμός του συστήματος διανομής της θερμότητας ανάλογα με την εφαρμογή. 5. Επιλογή και καθορισμός του συμπληρωματικού εξοπλισμού που υποστηρίζει το συνολικό σύστημα ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του. 6. Προσθήκη εναλλακτικών- βοηθητικών συστημάτων στο σύστημα όπου είναι απαραίτητο. Η ενίσχυση ή υποστήριξη των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας είναι απαραίτητη καθώς αρκετές φορές δεν έχουν τη δυναμικότητα για να καλύψουν πλήρως τις ανάγκες της εφαρμογής- ενώ και όταν αυτό συμβαίνει μπορεί με τα υποστηρικτικά συστήματα να αυξηθεί η απόδοση τους. 100

130 4 Αβαθής γεωθερμία. Η μεθοδολογία όπως αυτή περιγράφηκε σε γενικές γραμμές προτείνεται από την ASHRAE (Kavannagh & Rafferty,1997). Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας είναι κατάλληλα για την κάλυψη κεντρικών κλιματιστικών συστημάτων έτσι στο 1 ο βήμα όταν είναι απαραίτητο μπορεί να γίνουν και άλλες επιμέρους εργασίες όπως διαχωρισμός μεγάλων κτιρίων σε ζώνες και κάλυψη της κάθε μιας με διαφορετική αντλία. Για το σύστημα που θα εξεταστεί στην παρούσα εργασία τα βήματα -όπως περιγράφηκαν παραπάνω- είναι αρκετά ώστε να περιγραφούν επαρκώς τα χαρακτηριστικά του. Βάσει της μεθοδολογίας αυτής θα αναλυθεί η σχεδίαση ενός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός θερμοκηπίου. 4.4 Σχεδιασμός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας σε θερμοκήπιο Προσδιορισμός θερμικών απωλειών/κερδών θερμοκηπίου Οι ενεργειακές απαιτήσεις θέρμανσης ενός θερμοκηπίου περιγράφηκαν στο κεφάλαιο 3. Σε γενικές γραμμές αυτό που εξετάζεται είναι οι ανάγκες του θερμοκηπίου στις δυσμενέστερες δυνατές συνθήκες ανάλογα με την περιοχή που βρίσκεται και την καλλιέργεια που προορίζεται να καλλιεργηθεί στο εσωτερικό του. Έτσι συνήθως πρέπει να εντοπιστεί η ψυχρότερη περίοδος στην περιοχή που πρόκειται να εγκατασταθεί το σύστημα και βάσει των μετεωρολογικών στοιχείων και του κλίματος της περιοχής να προσδιοριστεί η κατώτατη τιμή της θερμοκρασίας. Συνήθως αυτήν παρατηρείται τις νυχτερινές ώρες και κατά τη χειμερινή περίοδο. Η καλλιέργεια στο εσωτερικό του θερμοκηπίου επηρεάζει επίσης τον υπολογισμό καθώς ανάλογα με το φυτό μεταβάλλεται και η τιμή της θερμοκρασίας που είναι κατάλληλη για την βέλτιστη ανάπτυξη του. Ο βασικός τύπος όπως έχει ήδη αναφερθεί και στο κεφάλαιο 3 είναι ο εκείνος που αφορά τις νυχτερινές απώλειες. Βέβαια για τη σωστή ανάπτυξη των καλλιεργειών στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες είναι απαραίτητος και ο αερισμός οπότε προκύπτουν απώλειες και από αυτή τη διαδικασία οι οποίες περιγράφονται από τον τύπο 3. Ο υπολογισμός των απωλειών θερμότητας από ένα θερμοκήπιο συμβάλλουν στο σωστό σχεδιασμό του συστήματος θέρμανσης. Στην περίπτωση της θέρμανσης τα πράγματα είναι αποσαφηνισμένα όπως περιγράφηκαν παραπάνω και οι αντίστοιχες εξισώσεις αναφέρονται στο κεφάλαιο 3. Για τον δροσισμό, στην περίπτωση των θερμοκηπίων, στις περισσότερες περιπτώσεις τα συστήματα δεν στοχεύουν στη αντιμετώπιση ακραίων κλιματολογικών συνθηκών με πολύ υψηλές θερμοκρασίες αφού σ αυτή την περίπτωση το θερμοκήπιο παύει να λειτουργεί. Σε ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας λόγω της αντιστροφής της λειτουργίας ο σχεδιασμός καλείται να γίνει δίνοντας βαρύτητα σε μία εκ των δύο λειτουργιών. Στην περίπτωση των θερμοκηπίων η θέρμανση κατά κύριο λόγο είναι αυτή που θεωρείται αναγκαία και η επιλογή της συσκευής γίνεται με κριτήριο τις θερμικές ανάγκες. Όπως αναλύθηκε στο κεφάλαιο 3 στις μεθόδους δροσισμού ενός θερμοκηπίου η περίπτωση του δροσισμού με ψυκτικές μηχανές δεν είναι η πλέον 101

131 4 Αβαθής γεωθερμία. ενδεδειγμένη διότι οι ενεργειακές απαιτήσεις για να επιτευχθεί η πτώση της θερμοκρασίας σε ακραίες κλιματολογικές είναι αρκετά υψηλή ενώ προκαλεί και ξήρανση του αερίου περιβάλλοντος που έχει αρνητική επίδραση στην ανάπτυξη της καλλιέργειας (Μαρτζοπούλου,1994). Παρ όλα αυτά δεδομένης της δυνατότητας που παρέχει η αντλία θερμότητας αντιστροφής της λειτουργίας της θα γίνει μία εκτίμηση της ψυκτικής της δυνατότητας σε ένα σύστημα θερμοκηπίου για αν εξετασθεί η συνεισφορά της σε ήπιες κλιματολογικές συνθήκες ενδεχομένως με τη συνεισφορά κάποιου μηχανισμού ύγρανσης του χώρου. Ο δροσισμός μίγματος αέρα υδρατμών με ψυκτική μηχανή τοποθετείται στην κατηγορία του δροσισμού με αφύγρανση. Σ αυτή τη μέθοδο παρατηρείται πτώση της θερμοκρασίας κάτω από το σημείο δρόσου με αποτέλεσμα να παρατηρείται και συμπύκνωση υδρατμών. Με αυτή τη μέθοδο δροσισμού αφαιρείται από τον χώρο τόσο αισθητή όσο και λανθάνουσα θερμότητα. Το πρόβλημα του δροσισμού σ αυτή την περίπτωση μπορεί να λυθεί με τη χρήση του ψυχρομετρικού χάρτη και των εξισώσεων διατήρησης της ενέργειας και της μάζας. q=m a (h i -h f ) (14) m w =(w i -w f ) (15) Στην περίπτωση των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας θεωρείται δεδομένη η απόδοση της ψυκτικής μηχανής q καθώς έχει επιλεγεί με βάση τις ανάγκες θέρμανσης. Ακόμα οι επιθυμητές συνθήκες στο εσωτερικό του θερμοκηπίου h f προκαθορίζονται και επιπρόσθετα είναι γνωστή η μάζα του αέρα που βρίσκεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Έτσι είναι εύκολο να υπολογιστεί μέχρι ποιες αρχικές συνθήκες μπορεί να καλύψει αυτό το σύστημα. Επιπλέον μπορεί να υπολογιστεί και το ποσό της υγρασίας που αφαιρείται από το χώρο κάτι που θα αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμο στην περίπτωση που επηρεάζει την καλλιέργεια Επιλογή αντλίας θερμότητας Η επιλογή της αντλίας θερμότητας γίνεται ανάλογα με το ποσό των ενεργειακών απαιτήσεων που προορίζεται να καλύψει. Στην περίπτωση που το σύστημα καλύπτει πλήρως τις ανάγκες του θερμοκηπίου τότε επιλέγεται μία αντλία αυτής της δυναμικότητας. Στην περίπτωση που το σύστημα λειτουργεί καλύπτοντας κομμάτι των ενεργειακών αναγκών τότε επιλέγεται ανάλογα με το ποσοστό που του αναλογεί ή ανάλογα με τη λειτουργία που έχει επιλεγεί (κάλυψη μόνο θερμικών αναγκών και επιλογή άλλου συστήματος για το δροσισμό). Σε κάθε περίπτωση η επιλογή της αντλίας θερμότητας γίνεται με τα ίδια κριτήρια με τα οποία γίνεται η επιλογή οποιουδήποτε συστήματος θέρμανσης. Στα θερμοκήπια τα συστήματα με αντλία θερμότητας δεν είναι δυνατόν να λειτουργήσουν ως συμπληρωματικά συστήματα θέρμανσης λόγω του κόστους και της υψηλής τους δυναμικότητας. 102

132 4 Αβαθής γεωθερμία. Οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτικότητα μιας αντλίας θερμότητας κλειστού κυκλώματος είναι: (α) το κλίμα (β) η θερμοκρασία του εδάφους, (γ) οι θερμικές ιδιότητες του εδάφους. Η απόδοση της αντλίας θερμότητας εξαρτάται επίσης σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό του γεωεναλλάκτη καθώς επηρεάζεται από τη θερμοκρασία του νερού που κυκλοφορεί σε αυτόν. Ουσιαστικά η θερμοκρασία του εδάφους, το μέγεθος του κυκλώματος και η ταχύτητα άντλησης επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής. Έτσι η επιλογή της αντλίας θα πρέπει να γίνεται ταυτόχρονα με το σχεδιασμό του γεωεναλλάκτη ώστε να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή επιλογή (Housing Energy Efficiency Best Practice Programme,2004) Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της θερμοπηγής Στην αβαθή γεωθερμία θερμοπηγή είναι το έδαφος. Συγκεκριμένα αξιοποιείται η θερμότητα που βρίσκεται αποθηκευμένη σε μικρά βάθη από την επιφάνεια του εδάφους. Η χρήση αβαθούς γεωθερμίας προϋποθέτει γνώση του προφίλ της θερμοκρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη (Adamovský et al,2009). Οι μέσες κλιματικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή αλληλεπιδρούν οριακά με το έδαφος και έτσι επηρεάζουν τις θερμοκρασίες που αυτό εμφανίζει (ηλιακή ακτινοβολία, υγρασία, κάλυψη, αέρας, βροχόπτωση)(adamovský et al,2009).ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του εδάφους επακριβώς αποτελεί μία πολύπλοκη διαδικασία. Συνήθως αυτό που εξετάζεται είναι η σύσταση και τα επίπεδα θερμοκρασίας που βρίσκεται. Οι θερμοκρασίες του εδάφους διαφοροποιούνται από περιοχή σε περιοχή και εξαρτώνται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (U.S. Department of Energy's State Energy Program through the Virginia Department of Mines, Minerals, and Energy). Στο σχήμα Α26 σημειώνονται οι μέσες ετήσιες θερμοκρασίες στις ΗΠΑ σε βάθη 30 ποδιών, είναι εμφανής η διαφοροποίηση μεταξύ των βόρειων περιοχών και των πιο θερμών που βρίσκονται νότια και νοτιοανατολικά. Εκτός αυτού σύμφωνα με μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε δεκαετή βάση στην Ιρλανδία αποδείχθηκε ότι η διαφορετική κάλυψη του εδάφους μπορεί να επηρεάσει την απόδοση γεωεναλλακτών εδάφους- αέρα (Mihalakakou et al,1996). Επίσης αντίστοιχα πειράματα στην Πολωνία επιβεβαίωσαν αυτή τη διαπίστωση καθώς η θερμοκρασία του εδάφους με διαφορετική κάλυψη μεταβάλλεται στα ίδια βάθη (Trzaski & Zawada,2011). 103

133 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α26 Θερμοκρασιακά επίπεδα σε βάθος 30 ποδιών στις ΗΠΑ (Πηγή: U.S. Department of Energy's State Energy Program through the Virginia Department of Mines, Minerals, and Energy) Σε κάθε περίπτωση η εξέταση των θερμικών ιδιοτήτων διαδραματίζουν ένα σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό των γεωεναλλακτών καθώς επηρεάζουν τη μετάδοση θερμότητας προς το εργαζόμενο μέσο και ακολούθως επηρεάζουν τον βαθμό απόδοσης της αντλίας θερμότητας. Όσον αφορά τις μεθόδους και τους τρόπους μέτρησης υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις. Ένα μαθηματικό μοντέλο πού έχει προταθεί αφορά τον καθορισμό της ημερήσιας και ετήσιας διακύμανσης των θερμοκρασιών του εδάφους κοντά στην επιφάνεια. Το μοντέλο χρησιμοποιεί δύο εξισώσεις- η πρώτη είναι μια διαφορική εξίσωση περιγραφής της διακύμανσης της θερμικής αγωγιμότητας και η δεύτερη είναι μία εξίσωση ισορροπίας της ενέργειας (Trzaski & Zawada,2011).Μία άλλη υπολογιστική προσέγγιση για τη θερμοκρασία προτάθηκε από τον Kusuda (1965), σύμφωνα με αυτή την αναλυτική εξίσωση μπορεί να υπολογιστεί για κάθε χρονική περίοδο κατά τη διάρκεια του έτους η θερμοκρασία του εδάφους σε διάφορα βάθη αν είναι καθορισμένη η μέση θερμοκρασία του εδάφους, η επιφάνεια του εδάφους και το χρόνο της ελάχιστης επιφανειακής θερμοκρασίας (Kusuda,1965). Τέλος ένας εμπειρικός τύπος προτείνεται στη Σκανδιναβία (εξίσωση 16), για τον υπολογισμό της μέσης θερμοκρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη, με τον τύπο ενδεχομένως να μην ισχύει ή να θέλει μετατροπές σε διαφορετικά κλίματα. (Eggen,1990). t m = t 0 + 0,02*hgr ( o C) (16) όπου t m : μέση θερμοκρασία του εδάφους t 0 : μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα hgr : βάθος από την επιφάνεια του εδάφους (m) 104

134 4 Αβαθής γεωθερμία. Η πιο ακριβής εξίσωση που μπορεί να οδηγήσει στον υπολογισμό της θερμοκρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας (IGSHPA) - όπως προτάθηκε από το 1998 παρουσιάζεται παρακάτω. Στην περίπτωση των οριζόντιων γεωεναλλακτών σε βάθη μικρότερα των 5 μέτρων- οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας είναι έντονες και εξαρτώνται από τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας. Έτσι σε αντίθεση με τους κατακόρυφους εναλλάκτες εδώ οι εκτιμήσεις είναι σε μεγαλύτερο βαθμό εμπειρικές. Κατ αρχήν πρέπει να προσδιοριστεί η θερμοκρασία του εδάφους σε βάθος δύο μέτρων. Η θερμοκρασία σε κάποιο βάθος (ή η διακύμανσή της με τις εποχές), Τ g, μπορεί να εκτιμηθεί από μετρήσεις ή να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση ως συνάρτηση του βάθους, X s, και της ημέρας του χρόνου, t (Minister of Natural Resources Canada, 2005). : όπου 2 X 365 s Tg ( X s, t) Tg As exp X s xcos t to (17) T g είναι η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους, Α s η ετήσια διακύμανση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του εδάφους (T g,max T g,min, ), t o η σταθερά φάσης (σε ημέρες), α η θερμική διαχυτότητα του εδάφους (=k/ρc p ), k η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους, ρ η πυκνότητα του εδάφους και C p η ειδική θερμότητά του. Τιμές των παραπάνω φυσικών ιδιοτήτων για διάφορα είδη εδάφους είναι συνήθως διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία από σχετικές μετρήσεις. To Α s εξαρτάται από την περιοχή και το κλίμα και ποικίλλει από 5 μέχρι 20ºC, με τιμή για τις περισσότερες περιοχές στην Ελλάδα στους 8-10ºC. Βέβαια αυτό που απαιτείται συνήθως είναι η γνώση της ελάχιστης και της μέγιστης ετήσιας θερμοκρασίας του εδάφους σε βάθος X s, οι οποίες δίνονται από τις σχέσεις: και Tg,min Tg As exp X s 365 (18) Tg,max Tg As exp X s 365 (19) Ο υπολογισμός της θερμοκρασίας του εδάφους στο βάθος που πρόκειται να τοποθετηθεί ο γεωεναλλάκτης με τη βοήθεια εξισώσεων αρκετές φορές μπορεί να οδηγήσει σε λάθος αποτελέσματα. Οι παράγοντες που εμπλέκονται σε αυτού του τύπου τις εξισώσεις είναι δύσκολο να καθοριστούν με ακρίβεια συνεπώς η δεύτερη λύση για τη διαπίστωση της θερμοκρασίας σε διάφορα βάθη είναι οι μετρήσεις με ειδικά όργανα στα σημεία που πρόκειται να αξιοποιηθούν. Οι κυριότερες τεχνικές που χρησιμοποιούνται σήμερα για τον ακριβή υπολογισμό της θερμοκρασίας και της υγρασίας του εδάφους είναι με ακτίνες γάμμα, με τη βοήθεια ειδικών ραντάρ που 105

135 4 Αβαθής γεωθερμία. διεισδύουν στο έδαφος, με συσκευές που καταγράφουν τη ροή θερμότητας κτλ. Οι μέθοδοι αυτές είναι αρκετά ακριβές και εξυπηρετούν ερευνητικές ανάγκες (T.Jackson et al,2008).η πιο εύκολη μέθοδος είναι με τη βοήθεια αισθητήρων οι οποίοι μπορούν να θαφτούν στο έδαφος και παρουσιάζουν μία απόκλιση της τάξεως των 0,2 o C, σε ένα εύρος μετρήσεων 0-70 o C. (Εικόνα A38) Οι μετρήσεις για να είναι όσο πιο αξιόπιστες γίνεται θα πρέπει να έχουν πραγματοποιηθεί σε βάθος χρόνου, γι αυτό το λόγο συνήθως υπάρχουν καταχωρημένα δεδομένα για κάθε περιοχή σε αντίστοιχούς φορείς αποτέλεσμα μακροχρόνιων μετρήσεων. Εκτός από τη θερμοκρασία είναι απαραίτητος ο καθορισμός και άλλων μεγεθών όπως θερμική αγωγιμότητα του εδάφους όπως και η γνώση των μετεωρολογικών δεδομένων της περιοχής. Η θερμική αγωγιμότητα λαμβάνεται ανάλογα με τον τύπο του εδάφους συνήθως αν και έχουν προταθεί μέθοδοι υπολογισμού της. Συγκεκριμένα υπάρχουν δύο in-situ μέθοδοι που μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους και αυτές είναι οι μέθοδος της σφαίρας (sphere method) και η μέθοδος της παροδικής βελόνας (transient needle method) (Johnson et al,1983). Για τα μετεωρολογικά δεδομένα συνήθως υπάρχουν μετρήσεις για κάθε περιοχή από αντίστοιχους φορείς. Πάντως η πιο πρακτική και συγχρόνως αρκετά ασφαλής μέθοδος λήψης τιμών για τις φυσικές ιδιότητες του εδάφους είναι με τη βοήθεια σχετικών πινάκων οι οποίοι έχουν προκύψει από μακροχρόνιες μετρήσεις. Εικόνα Α38 Αισθητήρες για τη μέτρηση θερμοκρασίας εδάφους (Πηγή:TecPel Co.ltd) Σχεδιασμός Γεωεναλλάκτη Η διαστασιολόγηση του συστήματος γεωεναλλαγής, περιλαμβάνει τον προσδιορισμό του μήκους των σωληνώσεων, της διαμέτρου των σωληνώσεων, του υλικού των σωληνώσεων και τέλος την επιλογή των όποιων συμπληρωματικών συσκευώνδιατάξεων. Για το μήκος του γεωεναλλάκτη έχουν προταθεί διάφορες μεθοδολογίες κυρίως για τους κατακόρυφους γεωεναλλάκτες και λιγότερο για τους οριζόντιους. 106

136 4 Αβαθής γεωθερμία. Παρακάτω παρουσιάζονται οι πιο κοινές μέθοδοι υπολογισμού του γεωεναλλάκτη στη διεθνή βιβλιογραφία. Προτεινόμενη μεθοδολογία κατά ASHRAE Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη λύση της εξίσωσης μετάδοσης θερμότητας για κυλινδρικό σωλήνα θαμμένο στη γη. Η εξίσωση καθώς και οι λύσεις της προτάθηκαν από τον Iggersol ως μία κατάλληλη μέθοδος διαστασιολόγησης γεωεναλλακτών καλύπτοντας και τις περιπτώσεις όπου οι γραμμικές εξισώσεις παρουσιάζουν σφάλματα. Η γραμμική εξίσωση δίνει καλά αποτελέσματα όταν τις δίνονται ημερήσιες μέσες τιμές της θερμοκρασιακής διακύμανσης αλλά εμφάνιζε προβλήματα όταν οι χρονικές περίοδοι γινότανε μικρότερες των 6 ωρών. Έτσι για ακριβέστερα αποτελέσματα στις περιπτώσεις που χρειάζεται εκτίμηση με ωριαίες μεταβολές της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται η εξίσωση της κυλινδρικής πηγής θερμότητας. Σ αυτό το σημείο αξίζει να σημειωθεί ότι η απόδοση του γεωεναλλάκτη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα θερμότητας που αφαιρείται και προστίθεται στο έδαφος. Έτσι οι μέγιστες και ελάχιστες τιμές της θερμοκρασίας επιτυγχάνονται σε βάθος χρόνου. Ο σχεδιασμός του γεωεναλλάκτη μπορεί να επηρεάσει αυτή τη δυναμική. Παρ όλα αυτά η λεπτομερής πολυετή προσομοίωση των συστημάτων αυτών δεν κρίνεται απαραίτητη. Η τεράστια μάζα του εδάφους αποσβένει τις μεταβολές της μεταφοράς θερμότητας ενώ μία εκτίμηση της ετήσιας ανταλλαγής θερμότητας είναι αρκετή ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την απόδοση του συστήματος. Η μεγαλύτερη σημασία θα πρέπει να δοθεί στον χειρισμό των ημερήσιων ή ακόμα και ωριαίων μεταβολών της μετάδοσης θερμότητας από και προς το έδαφος η οποία αποτυπώνεται στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Με τη μέθοδο του Iggersol μπορεί να ληφθούν υπ όψιν και αυτές οι μεταβολές μικρής περιόδου. Η μέθοδος βασίζεται σε μία απλή εξίσωση μετάδοσης θερμότητας που θεωρεί την κατάσταση σχεδόν σταθερή (steady-state). tg tw q L (20) R H παραπάνω εξίσωση λυμένη ως προς L δίνει το απαιτούμενο μήκος σωλήνα. Η εξίσωση μπορεί να μετατραπεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αντιπροσωπεύει τη μεταβλητή ροή θερμότητας γύρω από τον γεωεναλλάκτη χρησιμοποιώντας μία σειρά από σταθερούς θερμικούς παλμούς. Έτσι η θερμική αντίσταση του εδάφους ανά μονάδα μήκους υπολογίζεται ως συνάρτηση του χρόνου, που αντιστοιχεί στο χρόνο που ένας θερμικός παλμός λαμβάνει χώρα. Ένας όρος ακόμα περιλαμβάνεται ώστε να υπολογιστεί η θερμική αντίσταση των τοιχωμάτων του σωλήνα καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ του σωλήνα και του υγρού όπως και του σωλήνα και του εδάφους. Η εξίσωση που προκύπτει έχει την παρακάτω μορφή όταν πρόκειται για εφαρμογή δροσισμού- ψύξης. 107

137 4 Αβαθής γεωθερμία. L c qarga ( qlc 3,41 Wc )( Rb PLFmR gm RgdFsc ) twi two tg tp 2 (21) Και όταν πρόκειται για εφαρμογή θέρμανσης παίρνει τη μορφή: L h qarga ( qlh 3,41 Wh )( Rb PLFmR gm RgdFsc ) twi two tg tp 2 (22) F sc : παράγοντας απωλειών θερμότητας μικρής απόστασης L c : Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για δροσισμό (m) L h : Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για θέρμανση (m) PLF m : Παράγοντας μερικού-φορτίου κατά το μήνα σχεδιασμού q a : Μέση ετήσια μεταφορά θερμότητας προς το έδαφος (Btu/h) q lc : φορτίο δροσισμού σχεδιαζόμενου κτιρίου (Btu/h) q lh : φορτίο θέρμανσης σχεδιαζόμενου κτιρίου (Btu/h) R ga : δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ετήσια βάση (h* Ft* 0 F/Btu) R gd : δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ημερήσια βάση (h* Ft* 0 F/Btu) R b : θερμική αντίσταση σωλήνα (h* Ft* 0 F/Btu) t g : αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( 0 F) t p : διόρθωση θερμοκρασίας για τυχόν παρεμβολές από παρακείμενους σωλήνες ( 0 F) t wi : θερμοκρασία ρευστού κατά την είσοδο στην αντλία θερμότητας ( 0 F) t wο : θερμοκρασία ρευστού κατά την έξοδο από την αντλία θερμότητας ( 0 F) W c : Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για δροσισμό (W) W h : Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για θέρμανση (W) Εφόσον το σύστημα θα είναι κοινό επιλέγεται το μεγαλύτερο υπολογισμένο μήκος. Αν διαπιστωθεί ενδεχόμενη δυσλειτουργία στην εφαρμογή που αντιστοιχεί στο 108

138 4 Αβαθής γεωθερμία. μικρότερο μήκος μπορεί να χρησιμοποιηθούν βοηθητικά συστήματα δροσισμού ή θέρμανσης. Προτεινόμενη μεθοδολογία κατά IGSHPA Στην μεθοδολογία αυτή επίσης γίνεται χρήση της εξίσωσης του Iggersol, απλά είναι διαφορετική η προσέγγιση και ουσιαστικά ο υπολογισμός του απαιτούμενου μήκους γίνεται με βάση τις απαιτήσεις θερμότητας. Οι εξισώσεις αυτές είναι μετασχηματισμοί των εξισώσεων που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Έτσι το απαιτούμενο μήκος του γεωεναλλάκτη στις εφαρμογές θέρμανσης δίνεται από τη σχέση: L h q d, heat ( COPh 1) ( Rp Rs Fh ) COP h (23) Tg,min Tewt,min Αντίστοιχα για τις εφαρμογές δροσισμού η σχέση μετασχηματίζεται στην εξίσωση: L c q d, cool ( COPc 1) ( Rp Rs Fc ) COP c (24) Tewt,max Tg,max L c : Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για δροσισμό (m) L h : Απαιτούμενο μήκος σωλήνα για θέρμανση (m) q d,heat : Απαιτήσεις θέρμανσης του χώρου (Btu/h) q d,cool : Απαιτήσεις δροσισιμού του χώρου (Btu/h) COP h : Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού θέρμανσης της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές COP c : Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές δροσισμού 109

139 4 Αβαθής γεωθερμία. R p : Θερμική αντίσταση σωλήνα (h* Ft* 0 F/Btu) R s : Θερμική αντίσταση εδάφους (h* Ft* 0 F/Btu) F c : Παράγοντας μερικού φορτίου για θέρμανση ή ψύξη αντίστοιχα T g,min : Ελάχιστη αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( 0 F) T ewt,min : Ελάχιστη θερμοκρασία εισόδου σχεδιασμού του νερού στην αντλία θερμότητας ( 0 F) Οι εξισώσεις δε λαμβάνουν υπ όψιν μακροχρόνιες θερμικές ανισορροπίες που ενδεχομένως να πραγματοποιηθούν στο έδαφος. Αυτή η ανισορροπία τελικά οφείλεται στη διαφορά μεταξύ των ποσοτήτων θερμότητας που ανταλλάσσονται με το έδαφος κατά τις περιόδους θέρμανσης και δροσισμού. Οι απλουστευμένες εξισώσεις που παρουσιάζονται παραπάνω μπορούν να γίνουν αποδεκτές στο προκαταρκτικό στάδιο αξιολόγησης της σκοπιμότητας της κατασκευής (Minister of Natural Resources Canada,2005). Απλουστευμένες μεθοδολογίες Ο σχεδιασμός του γεωεναλλάκτη αποτελεί ένα από τα βασικά κομμάτια στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας. Εκτός από τις αναλυτικές εξισώσεις οι οποίες κατά κανόνα εφαρμόζονται στην περίπτωση των κατακόρυφων συστημάτων υπάρχουν και κάποιες προσεγγιστικές λύσεις. Στην περίπτωση ειδικά των οριζόντιων συστημάτων όπου το κόστος μειώνεται σημαντικά η προσέγγιση του απαιτούμενου μήκους θεωρείται αποδεκτή λύση. Έτσι έχει προταθεί ότι το μήκος του γεωεναλλάκτη μπορεί να ληφθεί ως συνάρτηση του φορτίου θέρμανσης ή δροσισμού αντίστοιχα. Έτσι αντιστοιχεί ένα μήκος της τάξης των 35-60m ανά kw απαιτήσεων θέρμανσης ή δροσισμού (Geothermal Heat Pump Consortium,2005). Σε αντίστοιχη προσέγγιση εκτιμάται το απαιτούμενο μήκος των σωληνώσεων 30-50m ανά kw της ονομαστικής ισχύς της αντλίας και καταλαμβανόμενη επιφάνεια περίπου m 2 /kw σε οριζόντια συστήματα με συμβατική τοποθέτηση σωληνώσεων. Για τους κατακόρυφους γεωεναλλάκτες εκτιμάται περίπου 10-25m ανά kw (Ζησκάτας και άλλοι,2007). Περιγραφή και εκτίμηση μεγεθών που χρησιμοποιήθηκαν στις εξισώσεις F sc : παράγοντας απωλειών θερμότητας μικρής απόστασης Ο παράγοντας αυτός παίρνει τιμές από 1,01-1,06 και εξαρτάται από τον τρόπο τοποθέτησης των σωλήνων, κυρίως των κατακόρυφων. Ο τρόπος χρήσης του όμως αφορά και τα οριζόντια συστήματα L: απαιτούμενο μήκος σωλήνα 110

140 4 Αβαθής γεωθερμία. Το μέγεθος αυτό είναι και το ζητούμενο της διαδικασίας και μπορεί να διαφοροποιείται ανάλογα με την εφαρμογή. Είναι το συνολικό μήκος των σωληνώσεων που απαιτούνται για να αντλήσουν από το έδαφος την απαιτούμενη θερμότητα. PLF m : Παράγοντας μερικού-φορτίου κατά το μήνα σχεδιασμού Αυτός ο παράγοντας μπορεί να εκτιμηθεί συνυπολογίζοντας το προφίλ του θερμαινόμενου χώρου. Ουσιαστικά αφορά το ποσοστό των ημερών ανά μήνα που αξιοποιείται το σύστημα. q a : Μέση ετήσια μεταφορά θερμότητας προς το έδαφος (Btu/h) Η ποσότητα της θερμότητας αυτή υπολογίζεται σε ετήσια βάση. Στην περίπτωση του δροσισμού λαμβάνεται ως αρνητική ποσότητα και στης θέρμανσης ως θετική. Τόσο στη μία όσο και στην άλλη περίπτωση λαμβάνεται υπ όψιν η θερμότητα που προέρχεται από τη συμπίεση. q lc : φορτίο δροσισμού σχεδιαζόμενου κτιρίου (Btu/h) Το φορτίο αυτό υπολογίζεται κατά το σχεδιασμό του συστήματος, στον κτιριακό τομέα είναι μία απλούστερη διαδικασία απ ότι στην περίπτωση των θερμοκηπίων. q lh : φορτίο θέρμανσης σχεδιαζόμενου κτιρίου (Btu/h) Όμοια και αυτή η ποσότητα έχει υπολογιστεί κατά τη φάση σχεδιασμού του συστήματος. R ga : δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ετήσια βάση (h* Ft* 0 F/Btu) Ο υπολογισμός της θερμικής αντίστασης του εδάφους είναι μία διαδικασία αρκετά δύσκολη. Στην επίλυση της εξίσωσης της μετάδοσης θερμότητας υπεισέρχεται ο αδιάστατος αριθμός Fourier καθώς σχετίζεται τόσο με το χρόνο λειτουργίας όσο και με την κατανομή της θερμικής διαχυτότητας στην περιοχή γύρω από το σωλήνα. Η τιμή της λαμβάνεται από σχετικό τύπο και διάγραμμα με τη βοήθεια των τιμών που λαμβάνει ο Fo. R gd : δραστική θερμική αντίσταση του εδάφους σε ημερήσια βάση (h* Ft* 0 F/Btu) Ισχύει ότι και παραπάνω με τη διαφοροποίηση ότι αλλάζει η χρονική διάρκεια της εκτίμησης. R b : θερμική αντίσταση σωλήνα (h* Ft* 0 F/Btu) 111

141 4 Αβαθής γεωθερμία. Λαμβάνεται ανάλογα με το υλικό του σωλήνα, το μέσο που κυκλοφορεί στο εσωτερικό του και στο υλικό γύρω του. Υπάρχουν και διορθωτικοί παράγοντες ώστε να μπορούν να καλυφθούν όλες οι περιπτώσεις. t g : αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( 0 F) Η αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους είναι αποτέλεσμα μέτρησης t p : διόρθωση θερμοκρασίας για τυχόν παρεμβολές από παρακείμενους σωλήνες ( 0 F) Αυτή η διορθωτική παράμετρος αναφέρεται σε συστήματα τα οποί αδιαθέτουν περισσότερες από μία διαδρομές σωληνώσεων οι οποίες μπορεί και να επηρεάαουν στο διάστημα ανάμεσα από αυτές τη θερμοκρασία του εδάφους. t wi : θερμοκρασία ρευστού κατά την είσοδο στην αντλία θερμότητας ( 0 F) Αυτά τα μεγέθη λαμβάνονται από τον κατασκευαστή της αντλίας. t wο : θερμοκρασία ρευστού κατά την έξοδο από την αντλία θερμότητας ( 0 F) Όμοια με το προηγούμενο W c : Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για δροσισμό (W) Η ισχύς της αντλίας που δαπανάται στην εφαρμογή δροσισμού W h : Προσδιδόμενη ισχύς στο φορτίο σχεδιασμού για θέρμανση (W) Η ισχύς της αντλίας που δαπανάται στην εφαρμογή θέρμανσης. Στις εξισώσεις όπως δίνονται από την IGHPA q d,heat : Απαιτήσεις θέρμανσης του χώρου (Btu/h) Τα θερμικά φορτία του χώρου που προορίζεται για θέρμανση q d,cool : Απαιτήσεις δροσισιμού του χώρου (Btu/h) Τα ψυκτικά φορτία του χώρου που πρόκειται να δροσιστεί. COP h : Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές θέρμανσης Ο κατασκευαστικός βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας για θέρμανση. COP c : Βαθμός απόδοσης σχεδιασμού της αντλίας θερμότητας για εφαρμογές δροσισμού 112

142 4 Αβαθής γεωθερμία. Ο κατασκευαστικός βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας για θέρμανση. R p : Θερμική αντίσταση σωλήνα (h* Ft* 0 F/Btu) Η θερμική αντίσταση του σωλήνα όπως περιγράφηκε παραπάνω. R s : Θερμική αντίσταση εδάφους (h* Ft* 0 F/Btu) Η θερμική αντίσταση του εδάφους η οποία ή εκτιμάται ή λαμβάνεται από δεδομένα μετρήσεων. T g,min : Ελάχιστη αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους ( 0 F) Η αδιατάραχτη θερμοκρασία εδάφους είναι αποτέλεσμα μέτρησης T ewt,min : Ελάχιστη θερμοκρασία εισόδου σχεδιασμού του νερού στην αντλία θερμότητας ( 0 F) Αυτή η θερμοκρασία λαμβάνεται από τον κατασκευαστή Τοποθέτηση γεωεναλλάκτη Όπως ήδη έχει περιγραφεί η τοποθέτηση των σωληνώσεων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διαθέσιμη επιφάνεια, τη φύση του εδάφους και το μέγεθος του συστήματος. Ενώ στα κτίρια υπάρχουν αρκετά παραδείγματα τοποθέτησης- στην περίπτωση των θερμοκηπίων δεν υπάρχουν τόσες πολλές περιπτώσεις ώστε να οδηγήσουν σε ασφαλή συμπεράσματα για την ορθότερη επιλογή. Υπάρχει η δυνατότητα του κατακόρυφου γεωεναλλάκτη όπου σε πειραματική διάταξη αποδείχθηκε ότι με τη βοήθεια κάποιου δεύτερου συστήματος μπορεί να καλύψει τις ανάγκες ενός θερμοκηπίου(σχήμα Α27) (Ozgener & Hepbasli,2005). Από τη σκοπιά της αποδοτικότητας του συστήματος, ενεργειακά, δε φαίνεται να υπάρχει διάταξη γεωεναλλάκτη που να μη μπορεί να καλύψει τα φορτία. Σε σχετική μελέτη ανάλυση κύκλου ζωής αποδείχθηκε ότι ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας γι θέρμανση θερμοκηπίου καθίσταται βιώσιμο αν οι τιμές των συμβατικών καυσίμων παραμένουν υψηλές και αν το αρχικό κόστος της εγκατάστασης μπορεί να κρατηθεί σε σχετικά χαμηλά επίπεδα (Chiasson,2005). Δεδομένου ότι τα οικονομικά δεδομένα αποτελούν βασικό παράγοντα η λύση της οριζόντιας τοποθέτησης φαίνεται να είναι η περισσότερο ενδεδειγμένη. Η σπειροειδής διάταξη απαιτεί τη λιγότερη δυνατή επιφάνεια είτε αυτή τοποθετείται οριζόντια σε τάφρο ή αυλάκι (Εικόνες A39,A40) ή και στην περίπτωση της κάθετης τοποθέτησης (Εικόνα A41). Στη συμβατική τοποθέτηση απαιτείται πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια που δεν είναι πάντα δυνατό ειδικά σε θερμοκηπιακές κατασκευές που ήδη υφίστανται (οι περιβάλλοντες χώροι μπορεί να είναι δεσμευμένοι). 113

143 4 Αβαθής γεωθερμία. Σχήμα Α27 Υβριδικό σύστημα θέρμανσης θερμοκηπίου με αβαθή γεωθερμία και ηλιακούς συλλέκτες.(πηγή: Ozgener & Hepbasli,2005) Εικόνα Α39 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης-τοποθέτηση σε τάφρο. (Πηγή: Harley,1999) 114

144 4 Αβαθής γεωθερμία. Εικόνα Α40 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης τοποθέτηση σε αυλάκι (Πηγή:Energy saving trust,2007) Εικόνα Α41 Σπειροειδής οριζόντιος γεωεναλλάκτης-κάθετη τοποθέτηση σε αυλάκι (Πηγή: Energy saving trust,2007) Σχεδιασμός συστήματος διανομής Τα συστήματα διανομής σε ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας σχεδιάζονται με κριτήριο κατ αρχήν τη βασική λειτουργία του συστήματος. Δηλαδή θα πρέπει να 115

145 4 Αβαθής γεωθερμία. είναι αποσαφηνισμένο αν το σύστημα θα λειτουργεί ως σύστημα δροσισμού ή ως σύστημα θέρμανσης κατά κύριο λόγο. Στα θερμοκήπια είναι πιο έντονες οι ανάγκες θέρμανσης κατά τη χειμερινή περίοδο και λιγότερο ο δροσισμός. Συνεπώς το σύστημα σχεδιάζεται λαμβάνοντας υπ όψιν την παραπάνω παράμετρο. Τα συστήματα διανομής θερμότητας όπως περιγράφηκαν σε προηγούμενη ενότητα για ένα θερμοκήπιο εξαρτώνται από την καλλιέργεια στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Στις εφαρμογές της αβαθούς γεωθερμίας μπορούν να εφαρμοστούν όλα σχεδόν τα συστήματα διανομής της θερμότητας που χρησιμοποιούνται στα θερμοκήπια σήμερα και βασίζονται στη διανομή θερμού νερού ή θερμού αέρα. Στον πίνακα φαίνονται οι θερμοκρασίες θερμού νερού που απαιτούνται σε κάποια από τα πιο συνηθισμένα συστήματα διανομής της θέρμανσης σε ένα χώρο. Πίνακας Α6 Θερμοκρασία διανομής νερού ανάλογα με το σύστημα διανομής (Πηγή: Εnergy saving trust,2007) Για ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας είναι ασύμφορο να εφαρμοστεί ένα σύστημα με θερμαντικά σώματα καθώς όπως φαίνεται η θερμοκρασία του νερού πρέπει να φτάσει σε αρκετά υψηλά επίπεδα. Τα συστήματα αέρα όπως και τα συστήματα ενδοδαπέδιας θέρμανσης μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα θερμοκρασιακό εύρος που η αντλία θερμότητας μπορεί να υποστηρίξει αποδοτικά (Energy saving trust 2007). Έτσι τα συστήματα ενδοδαπέδιας ή επίδαπέδιας θέρμανσης όπως και τα συστήματα με αερόθερμα διαμέσου των οποίων διέρχονται οι σωλήνες κυκλοφορίας του νερού μπορεί να καταστούν αποτελεσματικά. Στην τελευταία περίπτωση η λειτουργία των ανεμιστήρων μπορεί να αυξήσει την ενεργειακή κατανάλωση σε ηλεκτρισμό και ενδεχομένως κάνει τα συστήματα λιγότερο αποδοτικά ενεργειακά. Τα συστήματα με απευθείας απόρριψη αέρα στο χώρο του θερμοκηπίου είναι μια ενδεδειγμένη λύση καθώς μπορούν να υποστηρίξουν και την εφαρμογή του δροσισμού. Το μειονέκτημα αυτής της εφαρμογής είναι ότι οι αντλίες θερμότητας με απόρριψη αέρα είναι συνήθως ακριβότερες. Η αβαθής γεωθερμία όπως γίνεται αντιληπτό ουσιαστικά αξιοποιείται με συστήματα τα οποία μεταφέρουν τη θερμότητα με αγωγή και συναγωγή. Η μεταφορά θερμότητας μ αυτούς τους δύο μηχανισμούς συγκεντρώνει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Συνεπώς οι καλλιέργειες που θα επιλεγούν να θερμανθούν με τέτοιου είδους συστήματα πρέπει να ευνοούνται από τα χαρακτηριστικά αυτά. Η μετάδοση θερμότητας με συναγωγή συνεπάγεται με 116

146 4 Αβαθής γεωθερμία. μεταφορά της θερμότητας μέσω του αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Τα ρεύματα αέρα που κινούνται εντός του θερμοκηπίου μεταφέρουν τη θερμότητα στα φυτά. Πρέπει συνεπώς να εξασφαλισθεί η ομοιόμορφη και ωφέλιμη κίνηση του αέρα. Η τάση που επικρατεί είναι ο θερμός αέρας να μετακινείται προς τα ανώτερα στρώματα της κατασκευής- συνεπώς θα πρέπει να ενισχυθεί η ανάμιξη και η σωστή κυκλοφορία του ώστε να επιτευχθεί η ομοιόμορφη κατανομή εντός του θερμοκηπίου (National Manufactors Greenhouse Association,1998). Στα συστήματα όπου η μεταφορά γίνεται με αγωγή το κύριο χαρακτηριστικό είναι η θερμική επίδραση στις περιοχές που έρχονται σε επαφή με το μέσο μεταφοράς του μέσου (θερμού νερού στην περίπτωση της αβαθούς γεωθερμίας) (National Manufactors Greenhouse Association,1998). Η επιλογή του συστήματος διανομής σε ένα θερμοκήπιο οφείλει να γίνεται με κριτήριο την σωστή ανάπτυξη της καλλιέργειας. Συνεπώς εκτός από την επιθυμητή θερμοκρασία καθώς και την απόδοση του συστήματος με ενεργειακούς, οικονομικούς και περιβαλλοντικούς όρους θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν κατά πόσο επηρεάζεται η υγρασία, ο φωτισμός, ο τρόπος κατανομής της θερμότητας στο χώρο καθώς και η ποιότητα του αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Από τα βασικά συστήματα διανομής που περιγράφηκαν το σύστημα που ξηραίνει το χώρο περισσότερο είναι το σύστημα με απευθείας απόρριψη του αέρα στο χώρο ( για παράδειγμα μέσω σακούλας πολυαιθυλενίου). Το σύστημα αυτό ευνοεί την κατανομή τη θερμότητας με σχετική ομοιομορφία ενώ δεν επηρεάζει θερμικά το ριζικό σύστημα του φυτού. Επίσης είναι και το σύστημα με την ταχύτερη απόκριση στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Τα συστήματα με κυκλοφορία νερού σε σωληνώσεις επηρεάζουν έντονα θερμικά την περιοχή στην οποία βρίσκεται ο σωλήνας ( αν υπάρχει ανάγκη για θέρμανση στο χώμα, ή κοντά στη ρίζα κτλ), δεν επηρεάζουν τα επίπεδα υγρασίας του χώρου δραστικά και παρουσιάζουν βραδύτερη απόκριση σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Γίνεται αντιληπτό ότι ο σχεδιασμός και η επιλογή του συστήματος διανομής της θέρμανσης θα πρέπει να ισορροπήσει ανάμεσα στις ιδιαιτερότητες που εμφανίζει ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας (δυνατότητες αντλίας θερμότητας, θερμική ικανότητα του εδάφους) και στις ανάγκες θέρμανσης ενός χώρου με χαρακτηριστικά διαφοροποιημένα από εκείνα ενός κτιρίου κατοικίας Μοντελοποίηση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Υπολογιστικά Μοντέλα και προσομοίωση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας χαρακτηρίζεται από τρία βασικά στοιχεία τα οποία αλληλεπιδρούν θερμικά μεταξύ τους. Συγκεκριμένα η θερμοπηγή, ο γεωεναλλάκτης και η αντλία θερμότητας. Ήδη έχει γίνει αναφορά στις προσεγγίσεις που πραγματοποιούνται για την εκτίμηση των παραμέτρων που συμμετέχουν στους μηχανισμούς μετάδοσης θερμότητας μεταξύ αυτών των στοιχείων αλλά και στα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί ώστε να διαπιστωθεί η θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Αν και ο σχεδιασμός τέτοιων συστημάτων επιδέχεται παραδοχές που δεν επηρεάζουν δραστικά την αποτελεσματικότητα του συστήματος τα τελευταία

147 4 Αβαθής γεωθερμία. χρόνια γίνεται μία προσπάθεια βελτιστοποίησης (Chiasson,1999). Στην παρούσα εργασία δε θα γίνει εκτενής αναφορά στο πεδίο αυτό καθώς είναι αρκετά ευρύ και ξεφεύγει από τους στόχους της. Αξίζει να γίνει μία σύντομη αναφορά παρ όλα αυτά στις βασικές μεθόδους που έχουν χρησιμοποιηθεί. Η βασικότερη προσέγγιση είναι η θερμοδυναμική ανάλυση των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με αντλία θερμότητας. Ουσιαστικά εφαρμόζονται οι εξισώσεις μάζας, ενέργειας, εντροπίας και εξεργειακής ισορροπίας στα συστήματα αυτά. Συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν για τους βαθμούς απόδοσης αυτών των συστημάτων με αυτή την προσέγγιση (Hebapsli,2005). Προσομοίωση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας έχει πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια Η/Υ χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις ενέργειας καθώς και του βαθμού απόδοσης της αντλίας θερμότητας ενώ ακόμα χρησιμοποιήθηκαν εξισώσεις για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών του εδάφους και της αντίστασης του γεωεναλλάκτη (Tarnawski et al,2009). Ανάλογη εφαρμογή των εξισώσεων ενέργειας έχει γίνει και σε μοντέλο που αφορούσε τη θέρμανση θερμοκηπίου σε συνδυασμό με σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω υλικών μεταβλητής φάσης ( Benli,2011). Ορισμένα από τα μοντέλα αυτά έχουν αξιοποιηθεί για τη δημιουργία λογισμικών πακέτων τα οποία υπολογίζουν τις διαστάσεις του γεωεναλλάκτη και εκτιμούν την απόδοση του συστήματος χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση αβαθούς γεωθερμίας Οι περισσότερες επιλογές ενεργειακών συστημάτων σήμερα απαιτείται να μη συντελούν σε επιδείνωση του περιβαλλοντικού προβλήματος. Στα πλαίσια αυτής της λογικής τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας αποτελούν φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις για τον κλιματισμό χώρων. Το γεγονός ότι δεν καταναλώνουν συμβατικά καύσιμα από μόνο του αποτελεί πολλαπλό κέρδος διαφυλάσσοντας το αέριο περιβάλλον αλλά και απομακρύνοντας άλλους κινδύνους (πυρκαγιάς, ρύπανσης του εδάφους ή των υπόγειων υδάτων- εξάντληση των φυσικών πόρων). Στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας η μοναδική ενεργειακή κατανάλωση παρατηρείται στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που αποσκοπεί στη λειτουργία του συμπιεστή. Έτσι όλο το ενδιαφέρον συγκεντρώνεται στην αποτύπωση της μείωση των εκπομπών CO 2 σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα. Το πρόβλημα είναι πιο πολύπλοκο απ ότι αρχικά δείχνει καθώς θα πρέπει να συνυπολογιστεί ο τρόπος παραγωγής του ηλεκτρικού ρεύματος και να εξετασθεί η εκπομπή ρύπων από αυτή τη διαδικασία ώστε να προκύψει ορθή σύγκριση. Ένας άμεσος τρόπος για να υπολογιστεί η εκπομπή CO 2 είναι μέσω των ακόλουθων σχέσεων. (Blum et al,2010) g h gco2 GCE EDkW ( MHO) ( AEFEP) (25) year year kwh 118

148 4 Αβαθής γεωθερμία. g h gco2 CCE HDkW ( MHO) ( AECS) (26) year year kwh g g g CS GCE CCE year year year (27) GCE: Εκπομπές CO 2 συστήματος γεωθερμίας ED: Ενεργειακές απαιτήσεις του συστήματος αβαθούς γεωθερμίας MHO: Μέσος χρόνος λειτουργίας AEFEP: Μέση εκπομπή CO 2 μέσω της ηλεκτροπαραγωγής CCE: Εκπομπές CO 2 συμβατικών συστημάτων HD: Απαιτήσεις θέρμανσης AECS: Μέση εκπομπή CO 2 μέσω του καυσίμου που υποστηρίζει το συμβατικό σύστημα CS: Εξοικονόμηση εκπομπών Μέσω της μεθόδου αυτής υπολογίζεται η εξοικονόμηση των ρύπων που παρέχει ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας συγκρίνοντας ουσιαστικά τις εκπομπές του με εκείνες ενός συστήματος που καταναλώνει συμβατικά καύσιμα. Σύμφωνα πάντως με την έρευνα των παραπάνω- για το ενεργειακό μίγμα της Γερμανίας, παρατηρείται εξοικονόμηση σε εκπομπές CO 2 της τάξης του 35% σε σχέση με ένα συμβατικό σύστημα- ενώ τοπικά η εξοικονόμηση αγγίζει το 72%. Αντίστοιχα σε έρευνες σε Αμερική και Ευρώπη η εξοικονόμηση εξακολουθεί να υφίσταται, από 15%-77%, ανάλογα πάντα με τις μεθόδους παραγωγής ενέργειας σε κάθε χώρα και φυσικά με την αποδοτικότητα του συστήματος (Blum et al,2010). 4.5 Παραδείγματα συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας Γενικά παραδείγματα Στην ενότητα αυτή θα παρουσιασθούν ορισμένες περιπτώσεις συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με σκοπό να παρουσιασθεί η συνολική απόδοση ενός τέτοιου συστήματος σε όλα τα επίπεδα (ενεργειακά, περιβαλλοντικά, οικονομικά) και να εξετασθεί κατά πόσο κατάφεραν να εξυπηρετήσουν το σκοπό τους. Η αναγωγή στις θερμοκηπιακές κατασκευές θα γίνει στην επόμενη ενότητα. 119

149 4 Αβαθής γεωθερμία. Στο Βέλγιο και συγκεκριμένα στις Βρυξέλλες, στεγάζεται ο Οργανισμός Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας της ευρωπαϊκής ένωσης. Το κτίριο έχει χτιστεί πριν από 120 χρόνια και βρίσκεται εντός του πολεοδομικού συγκροτήματος. Το μπροστινό κομμάτι του κτιρίου θερμαίνεται με ηλιακούς συλλέκτες και βιομάζα (pellets). Στο πίσω μέρος του κτιρίου υπήρχε διαθέσιμη αυλή για να πραγματοποιηθεί γεώτρηση και να τοποθετηθούν κατακόρυφοι γεωεναλλάκτες (Εικόνα Α42). Τελικά το κομμάτι του κτιρίου που προοριζότανε να θερμανθεί απαιτούσε ένα φορτίο περίπου 25kW και καλύφθηκε μέσω της εγκατάστασης αβαθούς γεωθερμίας με αντλία θερμότητας απόδοσης 28kW. Το ρεύμα που απαιτείται για την ηλεκτροδότηση της είναι 6,4kW και έτσι ο βαθμός απόδοσης φτάνει περίπου στο 4,4 (Sanner,2008). Στο σχήμα φαίνεται η λειτουργία του συστήματος κατά τη χειμερινή και θερινή περίοδο. Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας μπορούν να συνδυαστούν με άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. ΕικόναΑ42 Εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας στο κτίριο του Οργανισμού ΑΠΕ της Ε.Ε στο Βέλγιο (Πηγή: Sanner,2008) Σχήμα Α27 Αρχή λειτουργίας συστήματος αβαθούς γεωθερμίας στο κτίριο του Οργανισμού ΑΠΕ της Ε.Ε στο Βέλγιο (Πηγή:Sanner,2008) Ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας μπορεί να πετύχει υψηλούς βαθμούς απόδοσης αν πραγματοποιηθεί σωστή εγκατάσταση και λειτουργεί το σύστημα με τις 120

150 4 Αβαθής γεωθερμία. προκαθορισμένες συνθήκες. Σε υβριδικό σύστημα που εγκαταστάθηκε σε κτίριο του πανεπιστημίου του Νότιγχαμ (Σχήμα A28), αποδείχθηκε ότι όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια που εξάγεται από το έδαφος αυξάνει και ο COP. Παρ όλα αυτά θα πρέπει να δοθεί προσοχή στο ενδεχόμενο αποφόρτισης του εδάφους ως θερμοπηγή. Ακόμα μεγάλη προσοχή απαιτείται στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την κυκλοφορία του ρευστού εντός του γεωεναλλάκτη. Η σωστή λειτουργία του συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε περιβαλλοντικά οφέλη με την εξοικονόμηση σε εκπομπές CO 2 να φτάνει τους 3,8 τόνους ετησίως αν το καύσιμο ήταν φυσικό αέριο και 11,3 τόνους αν επιλέγονταν η ηλεκτρική θέρμανση. Η απόσβεση του συστήματος πραγματοποιείται σε 3-4 μήνες συγκριτικά με ένα σύστημα αερίου που θα απαιτούσε περίπου 5 χρόνια (Doherty et al,2004) Σχήμα A28 Αρχή λειτουργίας υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας και ηλιακής ενέργειας στο πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ (Πηγή: Doherty,2004) Άλλη προσπάθεια υβριδικού συστήματος που παρουσίασε ενδιαφέρον ήταν το καινοτόμο σύστημα των Gan, Riffat & Chong (2007). Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα καθώς και η αριθμητική προσομοίωση της απόδοσης ενός συστήματος αντλίας θερμότητας που έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να χρησιμοποιεί το νερό της βροχής και το έδαφος ως δεξαμενές άντλησης ή απόρριψης θερμότητας. Ένα ψυκτικό μέσο κυκλοφορεί διαμέσου ενός συστήματος κλειστού βρόχου για τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ της αντλίας θερμότητας και του βρόχινου νερού που βρίσκεται σε μία δεξαμενή αποθήκευσης και ενός άλλου γεωεναλλάκτη θερμότητας κατασκευασμένου από συμπαγείς ράβδους ή σωλήνες ώστε να μεταφέρει θερμότητα μεταξύ του αποθηκευμένου βρόχινου νερού και του εδάφους που βρίσκεται γύρω από τη δεξαμενή (Σχήμα Α29). Όλες οι φυσικές και 121

151 4 Αβαθής γεωθερμία. θερμικές ιδιότητες του εδάφους, όπως η περιεκτικότητα σε νερό, η πυκνότητα, ειδική θερμότητα, η θερμική διαχυτότητα και θερμική αγωγιμότητα προσδιορίστηκαν. Ακόμα εκτελέστηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις για την περίπτωση τοποθέτησης δεξαμενή αποθήκευσης βρόχινου νερού κάτω από το έδαφος εξετάζοντας την περίπτωση η αντλία θερμότητας να βρίσκεται στο εσωτερικό του εδάφους με διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, διαφορετικά φορτία θέρμανσης και μεγέθη οι τύπους εναλλακτών θερμότητας (Εικόνα Α43). Σχήμα Α29 Αρχή λειτουργίας υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με αξιοποίηση του βρόχινου νερού.(πηγή:gan et al,2007) Εικόνα Α43 Γεωεναλλακτης συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με αξιοποίηση του βρόχινου νερού (Πηγή:Gan et al,2007) Η χρήση του βρόχινου νερού εξαλείφει την ανάγκη για βαθιές γεωτρήσεις που κοστίζουν καθώς η συλλογή του πραγματοποιείται σε βάθη 2-3 μέτρων σε κατάλληλες δεξαμενές. Μετρήσεις γύρω από τη θερμοκρασία του βρόχινου νερού έδειξαν ότι διατηρείται σε θερμοκρασίες πολύ κοντά σε αυτές του εδάφους (όταν το έδαφος έχει 7 0 C το βρόχινο νερό από συλλογή βρίσκεται στους 6,8 0 C (Doherty et al,2003). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι είναι απαραίτητη η χρήση εναλλάκτη 122

152 4 Αβαθής γεωθερμία. θερμότητας για μεταφορά θερμότητας από το βρόχινο νερό προς το έδαφος ώστε να διατηρηθεί η αποδοτικότητα του συστήματος για μεγάλο χρονικό διάστημα. Διαφορετικά απαιτείται ένας πολύ μεγάλος συλλέκτης ή άλλα μέσα όπως η ηλιακή ενέργεια για να μην αποφορτιστεί το έδαφος. Σε πειραματική μελέτη των Trillat-Berdal,Souyri, Fraisse (2006), εξετάστηκε μία αντλίας θερμότητας εδάφους για χρήση σε ιδιωτική κατοικία 180m 2 σε συνδυασμό με την ηλιακούς συλλέκτες. Αυτή η διαδικασία, που ονομάστηκε GEOSOL, εξυπηρετεί τις ανάγκες ζεστού νερού εκτός από τις ενεργειακές ανάγκες θέρμανσηςψύξης ενός κτιρίου. Η ηλιακή θερμότητα προορίζεται κατ αρχήν για την παραγωγή θερμού νερού χρήσης και όταν επιτευχθεί η προκαθορισμένη θερμοκρασία του νερού, το θερμό νερό αρχίζει και εγχέεται μέσα στο έδαφος μέσω γεωτρήσεων. Αυτό το σύστημα έχει το πλεονέκτημα να συμβάλει στην ισορροπία των φορτίων του εδάφους, αυξάνοντας ταυτόχρονα το χρόνο λειτουργίας των ηλιακών συλλεκτών καθώς προλαμβάνει τα προβλήματα υπερθέρμανσης. Μετά από 11 μήνες λειτουργίας, η ισχύς που αντλήθηκε και απορρίφθηκε εντός του εδάφους είχαν μέσες τιμές της τάξης των 40.3 W/m και 39,5 W/m αντίστοιχα. Η ενέργεια που απορρίφθηκε στο έδαφος στο 34% της αντλούμενης, ενώ ο συντελεστής απόδοσης (COP) της αντλίας θερμότητας στη λειτουργία θέρμανσης είχε μέση τιμή περίπου 3,75. Η αρχή λειτουργίας του συστήματος αναπαρίσταται στο σχήμα Α30. Σχήμα Α30 Υβριδικό σύστημα θέρμανσης αβαθούς γεωθερμίας με τη συνδρομή ηλιακών συλλεκτών (Πηγή: Trillat-Berdal et al,2006) Ο ρόλος των διάφορων παραγόντων που μπορεί να επηρεάσουν ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας εξετάστηκε από τους Inallı & Esen (2004). Ο στόχος της μελέτης αυτής είναι να εξετάσει την επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως το βάθος τοποθέτησης του εναλλάκτη θερμότητας, ο ρυθμός ροής του διαλύματος νερού- 123

153 4 Αβαθής γεωθερμία. αντιψυκτικού καθώς και τη συνεισφορά των υπόγειων υδάτων για την απόδοση ενός οριζόντιου συστήματος αβαθούς γεωθερμίας (Σχήμα Α31). Το σύστημα χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση χώρων πειραματικά και βρισκότανε συνδεδεμένο με ένα δωμάτιο ελέγχου επιφάνειας 16,24 m2 επιφάνειας στο Πανεπιστήμιο Φιράτ Ελάζι στην Τουρκία. Τα φορτία θέρμανσης και ψύξης του δωματίου δοκιμής ήταν 2,5 και 3,1 kw σε συνθήκες σχεδιασμού, αντίστοιχα. Τα πειραματικά αποτελέσματα λήφθηκαν από το Νοέμβριο έως τον Απρίλιο του Οι μέσες συντελεστές απόδοσης του συστήματος (COPsys) για οριζόντιο εναλλάκτη θερμότητας εδάφους στις διάφορες τάφρους, σε 1 και 2 μέτρα βάθους, προέκυψαν 2.66 και Η χαμηλή τιμή των βαθμών απόδοσης σε σχέση με άλλες μελέτες σε συστήματα αβαθούς γεωθερμίας οφείλονται σε υπερδιαστασιολόγηση ορισμένων κομματιών της διάταξης. Ακόμα σημειώνεται ότι θα πρέπει να γίνουν σωστές μετρήσεις των θερμοκρασιών του εδάφους ενώ ταυτόχρονα η επιλογή των διαφόρων στοιχείων της κατασκευής να γίνεται λαμβάνοντας υπ όψιν την ενεργειακή τους κατανάλωση (Inallı & Esen,2004). Οι περιπτώσεις συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας είναι πάρα πολλές ειδικά στον κτιριακό τομέα. Σ αυτή την ενότητα παρουσιάστηκαν ενδεικτικά ορισμένα καινοτόμα συστήματα και εφαρμογές που παρουσιάζουν και ερευνητικό ενδιαφέρον. Σχήμα Α31 Πειραματικό σύστημα αβαθούς γεωθερμίας με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στην απόδοση του συστήματος. (Πηγή:Inallı & Esen, 2004) Αβαθής γεωθερμία στον αγροτικό τομέα Γενικά Στον αγροτικό τομέα η χρήση της γεωθερμίας είναι ιδιαίτερα εκτεταμένη παγκοσμίως. Η χρήση της αβαθούς γεωθερμίας παρ όλα αυτά δεν είναι ευρέως διαδεδομένη για τους παρακάτω λόγους. 124

154 4 Αβαθής γεωθερμία. α) Το κόστος της αρχικής εγκατάστασης είναι αρκετά υψηλό β) Απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό για την εγκατάσταση και τη λειτουργία του συστήματος, κάτι που δεν είναι εφικτό σε όλες τις περιοχές γ) Οι αγροτικές εφαρμογές, εκτός της θέρμανσης χώρων, απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες νερού. Στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας οι θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται δεν είναι τόσο υψηλές ή για να φτάσουν σε υψηλά επίπεδα απαιτείται μεγάλη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ακυρώνοντας ουσιαστικά το πλεονέκτημα του συστήματος που είναι ακριβώς η υψηλή απόδοση. Έτσι τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας είναι εφικτό να χρησιμοποιηθούν κυρίως για θέρμανση χώρων σε αγροτικές εφαρμογές. Σε κτηνοτροφικές κατασκευές οι οποίες αποτελούν ουσιαστικά κτίσματα η χρήση της αβαθούς γεωθερμίας γίνεται με τον ίδιο τρόπο που γίνεται στον κτιριακό τομέα. Στα θερμοκήπια από την άλλη θα πρέπει να γίνει προσεκτική μελέτη ώστε να υπάρχει το επιθυμητό αποτέλεσμα από πλευράς απόδοσης, ενεργειακής οικονομίας, περιβαλλοντικών επιπτώσεων και οικονομικής διαχείρισης. Σύμφωνα με τον Chiasson (1998) που πραγματοποίησε μελέτη σκοπιμότητας για τη θέρμανση θερμοκηπίων με συστήματα αβαθούς γεωθερμίας τόσο ανοιχτού όσο και κλειστού βρόγχου για τέσσερα διαφορετικά κλίματα στις ΗΠΑ, κάνοντας ταυτόχρονα και σχετική ανάλυση κύκλου ζωής προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα. Η χρήση συστημάτων κλειστού βρόχου κρίνεται σκόπιμη αν οι τιμές των ορυκτών καυσίμων παραμείνουν σε σχετικά υψηλές τιμές και περιορισθεί το αρχικό κόστος εγκατάστασης, ενώ στην περίπτωση των συστημάτων ανοιχτού βρόχου το σύστημα καθίσταται ανταγωνιστικό και για χαμηλότερες τιμές ορυκτών καυσίμων (Chiasson,1998) Παραδείγματα Αρκετές ερευνητικές προσπάθειες πραγματοποιούνται στην Τουρκία όπου εξετάζεται η χρήση και απόδοση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας για θέρμανση θερμοκηπίου. O Benli (2011) εξέτασε τη βιωσιμότητα συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας σε ήπιο κλίμα για θέρμανση θερμοκηπίων, όπου οι απαιτήσεις θέρμανσης είναι οι απαιτήσεις σχεδιασμού. Πραγματοποιήθηκε μια πειραματική σύγκριση μεταξύ ενός οριζόντιου συστήματος κλειστού βρόγχου και ενός κατακόρυφου συστήματος κλειστού βρόγχου με αντικείμενο προς εξέταση την απόδοση των συστημάτων. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε αντίστοιχο πείραμα. Το σύστημα θέρμανσης αποτελείται ουσιαστικά από δύο διαφορετικούς εναλλάκτες θερμότητας εδάφους, μια αντλία θερμότητας, όργανα μέτρησης και το χώρο θερμάνσεως- ένα πρότυπο γυάλινο θερμοκήπιο μεγέθους 30 m 2. Ο συντελεστής απόδοσης των δύο συστημάτων όσον αφορά την αντλία θερμότητας και του συνολικού συστήματος ελήφθησαν να είναι στην περιοχή αυτή για την αντλία θερμότητας του οριζόντιου συστήματος από 3.1 έως 3.6 για και 3.2 έως 3.8 για το κατακόρυφο ενώ για το συνολικό σύστημα και 2.7 έως 3.3 και 2.9 έως 3.5 για αντίστοιχα. Διαπιστώθηκε ότι με αυτά τα συστήματα θέρμανσης είναι δυνατόν να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά 125

155 4 Αβαθής γεωθερμία. απαιτείται μια σημαντική επένδυση σε εξοπλισμό και εγκαταστάσεις. Τα πειραματικά αποτελέσματα ελήφθησαν από Νοέμβριο μέχρι Απρίλιο σε εποχές θέρμανσης του Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας είναι κατάλληλα για τη θέρμανση θερμοκηπίου στην περιοχή αυτή. Σε αντίστοιχη μελέτη των Ozgener & Hepbasli (2005) ερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά απόδοσης ενός ηλιακά υποβοηθούμενου συστήματος αβαθούς γεωθερμίας για θέρμανση θερμοκηπίου που υποστηρίζεται από κατακόρυφο γεωεναλλάκτη 50m- ονομαστικής διαμέτρου 32 χιλιοστών. Το σύστημα σχεδιάστηκε ώστε να εγκατασταθεί στο Ινστιτούτο Ηλιακής Ενέργειας του Πανεπιστήμιου Ege της Σμύρνης στην Τουρκία. Με βάση τις μετρήσεις που έγιναν στη λειτουργία θέρμανσης από τις 20 Ιανουαρίου έως 31 Μαρτίου 2004, ο ρυθμός άντλησης της θερμότητας από το έδαφος βρέθηκε να είναι, κατά μέσο όρο, W / m βάθους της οπής, ενώ το απαιτούμενο μήκος γεώτρησης λαμβάνεται περίπου 12m. Η θερμοκρασία εισόδου του νερού προς την μονάδα κυμαίνεται από 8,2 0 C έως 16,2 0 C, με τη μέση τιμή να βρίσκεται στους 14 0 C. Ο αέρας του θερμοκηπίου έχει μέγιστη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας C και τη νύχτα 14,54 0 C με σχετική υγρασία στο 40,35%.Ο συντελεστής απόδοσης της θέρμανσης της αντλίας θερμότητας είναι περίπου 2,00 σε νεφελώδεις ημέρες, ενώ είναι περίπου 3,13 τις ηλιόλουστες μέρες και γενικότερα κυμαίνεται μεταξύ αυτών των τιμών. Οι τιμές COP για το σύνολο του συστήματος προέκυψαν 5-20% χαμηλότεροι από ότι αυτός της αντλίας θερμότητας. Ωστόσο, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι με κεντρική λειτουργία θέρμανσης δεν μπορεί να ικανοποιηθούν οι συνολικές απώλειες θερμότητας του θερμοκηπίου στην περίπτωση που η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι πολύ χαμηλή. Η συνδυασμένη λειτουργία με άλλα συστήματα θέρμανσης, μπορεί να προταθεί ως η καλύτερη λύση στην Μεσόγειο και το Αιγαίο αλλά και σε περιοχές της Τουρκίας Οι Chai, Ma, Ni (2012) πραγματοποίησαν συγκριτική μελέτη μεταξύ δύο διαφορετικών τύπων θερμοκηπίου με σύστημα θέρμανσης αβαθούς γεωθερμίας σε περιοχές της βόρειας Κίνας. Συγκεκριμένα θερμάνθηκε ένα συμβατικό θερμοκήπιο και ένα γυάλινο πολλαπλό με ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας ανοιχτού βρόγχου αξιοποιώντας υπόγεια νερά. Οι βαθμοί απόδοσης COP βρέθηκαν 3,83 στο πρώτο και 3,91 στο δεύτερο. Το κόστος θέρμανσης στο πρώτο υπολογίστηκε στα 0,016 USD/m 2 d ενώ στο δεύτερο 0,058 USD/m 2 d. Το κόστος θέρμανσης όπως προέκυψε είναι φθηνότερο από συστήματα με καύσιμο αέριο κατά 8,9% στην πρώτη περίπτωση και 11,4% στη δεύτερη ενώ είναι μεγαλύτερα κατά 16,5% και 12,9% αντίστοιχα αν το καύσιμο είναι κάρβουνο. Η ανάλυση για τις εκπομπές ρύπων έδειξε ότι το σύστημα αβαθούς γεωθερμίας εξασφαλίζουν περιορισμό των εκπομπών σε ποσοστά 41,9% και 44,6%, σε σχέση με εκείνα τα οποία χρησιμοποιούν ως καύσιμο το κάρβουνο αλλά είναι σαφώς αυξημένες σε σχέση με εκείνα του αερίου κατά 46,1% και 43,5% αντίστοιχα διότι η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος γίνεται σε θερμοηλεκτρικά εργοστάσια με την καύση λιγνίτη. Σε περίπτωση πάντως που η παραγωγή πραγματοποιούνταν με καύση αερίου θα προέκυπτε και πάλι εξοικονόμηση της τάξης 126

156 4 Αβαθής γεωθερμία. του 45%. Μεταξύ των δύο θερμοκηπίων το πρώτο αποδείχθηκε οικονομικότερο και πιο φιλικό προς το περιβάλλον από το δεύτερο. Στις ΗΠΑ και συγκεκριμένα στο Τέννεσι εντοπίζεται μία μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας όπου θερμαίνεται με σύστημα αβαθούς γεωθερμίας (Εικόνα A44). Το μέγεθος της μονάδας είναι 810m 2 (18x45). Το νερό θερμαίνεται από αντλίες θερμότητας νερούνερού ενώ ο αέρας κλιματίζεται από 4 αντλίες θερμότητας νερού- αέρα. Το σύστημα υποστηρίζεται από 15 κατακόρυφους γεωεναλλάκτες κλειστού βρόγχου με βάθος γεώτρησης για τον καθένα περίπου στα 90m. Η ετήσια εξοικονόμηση στα λειτουργικά έξοδα φτάνει στις $ (Chiasson,2006). Εικόνα Α44 Μονάδα ιχθουκαλλιέργειας θερμαινόμενη με σύστημα αβαθούς γεωθερμίας στις ΗΠΑ (Πηγή: Chiasson,2006) Στο Κεμπέκ βρίσκεται μία θερμοκηπιακή μονάδα ανθοπαραγωγής αρκετά μεγάλης κλίμακας (Εικόνα Α45). Το μέγεθος της είναι 160 στρέμματα και η κατανάλωση ενέργειας αιχμής αγγίζει τα 2110kW. Το σύστημα αβαθούς γεωθερμίας καλύπτει το 89% της κατανάλωσης αυτής. Αποτελείται από 640 γεωτρήσεις βάθους 32m η καθεμία. Το κόστος της εγκατάστασης έφτασε τα $. Η εξοικονόμηση στα λειτουργικά έξοδα άγγιξε τις $. όσον αφορά την εξοικονόμηση σε εκπομπές CO 2, από τους 1274 tn/year με τα συμβατικά συστήματα έπεσαν στους 274 tn/year (Chiasson,2006). 127

157 4 Αβαθής γεωθερμία. Εικόνα Α45 Θερμοκήπια ανθοπαραγωγής υποστηριζόμενα από σύστημα αβαθούς γεωθερμίας στον Καναδά (Πηγή: Chiasson,2006) Στην Ελλάδα λίγες ως ελάχιστες προσπάθειες χρήσης συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας έχουν εντοπιστεί στον αγροτικό τομέα. Πρακτικά έχουν καταγραφεί περίπου 400 εγκαταστάσεις συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας. Από αυτές οι 2 αφορούν αγροτικές εφαρμογές και η μία σχετίζεται με την επεξεργασία τροφίμων. Το Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων του ΕΘΙΑΓΕ με τη συνδρομή της εταιρίας Φερσίδου Λαδά & ΣΙΑ ΕΕ., "FRIGOLAND" προχώρησε στη μελέτη σχεδίαση, εγκατάσταση και συστηματική παρακολούθηση της λειτουργία συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με χρήση αντλίας θερμότητας σε δύο φυτείες λευκού σπαραγγιού συνολικής έκτασης 20 στρ., στην περιοχή της Χρυσούπολης στην Καβάλα. Η θερμοπηγή είναι μία υπόγεια δεξαμενή νερού θερμοκρασίας 19,5 0 C, η άντληση του οποίου πραγματοποιείται με γεώτρηση 100m. Σύμφωνα με τα δεδομένα που προέκυψαν η καλλιέργεια σπαραγγιών σε χαμηλά σκέπαστρα κρίνεται ιδιαίτερα αποδοτική. Συγκεκριμένα δεν παρατηρήθηκε καμία δυσμενής επίπτωση στην καλλιέργεια από το σύστημα θέρμανσης, ενώ και οι δύο φυτείες αποδίδουν τα τελευταία έτη σε ετήσια βάση ευρώ/στρ σε σχέση με τις μη θερμαινόμενες παρακείμενες φυτείες. Το μέσο κόστος εγκατάστασης κυμαίνεται στα 2500ευρώ/στρ και το ετήσιο κόστος στα ευρώ/στρ (κατανάλωση ρεύματος). Η απόσβεση μπορεί να επιτευχθεί σε 2 παραγωγικά έτη. Η έρευνα του ΙΕΒ επεκτάθηκε και στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες και αυτό που εξήχθη ως συμπέρασμα είναι ότι θερμοκήπια μπορούν υπό προϋποθέσεις να θερμανθούν αποδοτικά με συστήματα αβαθούς γεωθερμίας.(δαλαμπάκης & Ηλίας,2010) 128

158 4 Αβαθής γεωθερμία. Εικόνα Α44 Σύστημα θέρμανσης αβαθούς γεωθερμίας σε καλλιέργεια χαμηλών σκέπαστρων λευκών σπαραγγιών στην Καβάλα (Πηγή: ΕΘΙΑΓΕ,2010) Σε καθαρά θεωρητικό επίπεδο στο Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με την προοπτική κλιματισμού χοιροστασίων με τη χρήση αντλίας θερμότητας που εντοπίζονται σε περιοχές της Ελλάδας με διαφορετικές κλιματολογικές συνθήκες ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά του γεωεναλλάκτη. Παρατηρήθηκε διαφοροποίηση στην απόδοση του γεωεναλλάκτη ανάλογα με το κλίμα ενώ τα οικονομικά δεδομένα μεταβάλλονται επίσης ανάλογα με τις απαιτήσεις σε θέρμανση και κλιματισμό. Πάντως οι ανάγκες θέρμανσης και κλιματισμού καλύπτονται αποδοτικά σε όλες τις περιπτώσεις (Ι. Φ.Παπαγεωργίου, 2010). 4.6 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αβαθούς γεωθερμίας Όπως γίνεται αντιληπτό η χρήση των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας τόσο στον κτιριακό τομέα αλλά ακόμα περισσότερο στον αγροτικό αποτελούν αξιόπιστες λύσεις από ενεργειακής σκοπιάς αλλά απαιτούν προσεχτικό σχεδιασμό ώστε να αποδειχθούν αποτελεσματικές τόσο στη μείωση των εκπομπών CO 2, αλλά και να είναι οικονομικά βιώσιμες. Συγκεντρωτικά τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας συγκεντρώνουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα 1. Το μεγαλύτερο συγκριτικό πλεονέκτημα των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας είναι η αποδοτικότητα τους. Η ικανότητα τους να αντλούν ένα μεγάλο κομμάτι των ενεργειακών απαιτήσεων από το έδαφος ή υπόγεια νεράέχει ως αποτέλεσμα να χρειάζεται να δαπανήσουν πολύ λιγότερη ενέργεια από άλλα συστήματα παραγωγής θερμότητας (Pedersen,2010). Ο βαθμός απόδοσης της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας μπορεί να φτάσει σε τιμές μεγαλύτερες του 4 λόγω της σταθερής θερμοκρασίας του εδάφους. Αυτό 129

159 4 Αβαθής γεωθερμία. συνεπάγεται με μείωση στο κόστος λειτουργίας στο 50%, σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα (Βραχόπουλος,2010). 2. Δεν αποτελούνται από πολλά κινητά μέρη με αποτέλεσμα να είναι πιο αξιόπιστα και με μεγαλύτερο χρόνο ζωής. Επιπλέον τα υλικά των γεωεναλλακτών είναι επίσης ανθεκτικά και έχουν μέσο χρόνο ζωής τουλάχιστον 50 έτη. Η απαιτούμενη συντήρηση είναι ελάχιστη. Ακόμη όλα τα στοιχεία του συστήματος βρίσκονται σε εσωτερικούς χώρους με αποτέλεσμα μα μην είναι εκτεθειμένα σε καιρικά φαινόμενα που μπορεί να προκαλέσουν φθορά σε σχέση με τις αντλίες θερμότητας αέρα (Pedersen,2010). 3. Η δυνατότητα των συστημάτων να αντιστρέφουν τη λειτουργία τους από θερμικές σε ψυκτικές μηχανές, παρέχει ένα τεράστιο πλεονέκτημα καθώς με το ίδιο σύστημα καλύπτονται ενεργειακές απαιτήσεις τόσο κατά τη χειμερινή όσο και κατά τη θερινή περίοδο. Η αντιστροφή της λειτουργίας έχει ως αποτέλεσμα να μην αποφορτίζεται το έδαφος σα θερμοπηγή καθώς η θερμότητα που απορροφάται το χειμώνα από αυτό μπορεί να απορριφθεί το καλοκαίρι. 4. Η κατάργηση των ορυκτών καυσίμων με ότι αυτό συνεπάγεται (μηδενική εκπομπή CO 2 από την άμεση λειτουργία, ενώ η συνολική μείωση πλησιάζει το 40-50%) 5. Δεν απαιτείται ο εξοπλισμός των συμβατικών συστημάτων όπως καμινάδα, καπνοδόχος, δεξαμενή καυσίμων ενώ η απουσία καύσης συνεπάγεται με εξάλειψη του κίνδυνου πυρκαγιάς καθώς και απουσία οσμών και καυσαερίων(βραχόπουλος,2010). 6. Συγκριτικά με τις αντλίες θερμότητας αέρα χρησιμοποιούν λιγότερο ψυκτικό μέσο και λειτουργούν πιο οικονομικά ανεξάρτητα από τις εξωτερικές συνθήκες (θερμοκρασία αέρα) (Lund,2009). 7. Η αβαθής γεωθερμία είναι ανανεώσιμη μορφή ενέργειας και επηρεάζει ελάχιστα το φυσικό περιβάλλον. Επιπλέον αν ηλεκτροδοτηθεί από κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η εκπομπή ρύπων CO 2 εκμηδενίζεται Μειονεκτήματα 1. Το αρχικό κόστος κατασκευής του συστήματος είναι πολύ υψηλό σε σχέση με τα υπόλοιπα συστήματα που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ή το δροσισμό χώρων. 2. Για τη λειτουργία του συστήματος είναι απαραίτητη η ύπαρξη ηλεκτρική ενέργειας (Εφαρμογές κοντά σε δίκτυο) 3. Οι εγκαταστάσεις και ο σχεδιασμός απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό. 130

160 4 Αβαθής γεωθερμία. 4. Η απαίτηση για ελεύθερο χώρο στην περίπτωση των οριζόντιων συστημάτων. 5. Ο θερμός αέρας που προέρχεται από ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας δε φτάνει τα θερμοκρασιακά επίπεδα του αέρα που παράγεται από συστήματα που χρησιμοποιούν ως καύσιμο τα ορυκτά καύσιμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να προκύπτουν περιορισμοί σχετικά με τα συστήματα διανομής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αλλά και απαιτείται ειδικός σχεδιασμός του χώρου ώστε να ισοσκελιστεί αυτή η διαφορά με άλλα συστήματα όπως μόνωση και σωστή επιλογή υλικών κατασκευής. 131

161 132

162 Β ΜΕΡΟΣ 133

163 134 1.Εισαγωγή

164 1.Εισαγωγή 1.Εισαγωγή 1.1 Σκοπός Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξεταστεί η προοπτική χρήσης συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας σε αγροτικές εφαρμογές και κυρίως για τον κλιματισμό θερμοκηπίων. Τα ζητήματα που εξετάστηκαν είναι τα ακόλουθα: α) Η δυνατότητα συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας να καλύψουν τις ενεργειακές απαιτήσεις ενός θερμοκηπίου. β) Η διαστασιολόγηση και ο σχεδιασμός ενός τέτοιου συστήματος προσαρμοσμένα στα χαρακτηριστικά μίας τέτοιας κατασκευής. γ) Η εξέταση της συνεισφοράς της ηλιακής ενέργειας στην απόδοση του συστήματος, καθώς ο ήλιος λειτουργεί ως ηλιακός συλλέκτης επηρεάζοντας τη θερμοκρασία τόσο στην επιφάνεια του εδάφους όσο και σε μικρά βάθη. δ) Η οικονομική μελέτη ενός τέτοιου συστήματος και κατά πόσο αποτελεί μια οικονομικά βιώσιμη λύση για τον κλιματισμό των θερμοκηπίων. ε) Τα περιβαλλοντικά οφέλη που παρέχει το σύστημα, μέσω της μείωσης εκπομπών ρύπων CO 2, αλλά και της αποδέσμευσης από τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Για τα παραπάνω διεξήχθη πείραμα ώστε να επιβεβαιωθούν οι υποθέσεις της βελτίωσης της απόδοσης του συστήματος μέσω της ηλιακής απόδοσης, ενώ όσον αφορά τα υπόλοιπα αντικείμενα προς μελέτη- χρησιμοποιήθηκαν κυρίως υπολογιστικές μέθοδοι. 135

165 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα 2.1.Κατασκευές και πειραματικές διατάξεις Για τις ανάγκες της εργασίας αυτής χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά δεδομένα ενός τροποποιημένου τοξωτού θερμοκηπίου με προσανατολισμό 25 0 δεξιόστροφα σε σχέση με τη διεύθυνση Βορρά-Νότου. Το θερμοκήπιο εντοπίζεται στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Το θερμοκήπιο βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του αγροκτήματος της Γεωπονικής Σχολής και ανήκει στο Κέντρο Ελέγχου Γεωργικών Κατασκευών. Το μήκος της μονάδας είναι 10m, ενώ το πλάτος 7m. Το ύψος του κορφιά είναι 3,6m και της υδρορροής 2,1m. Το υλικό κάλυψης είναι πολυαιθυλένιο και ο σκελετός του κατασκευασμένος από γαλβανισμένο σίδηρο. Αναλυτικά οι επιφάνειες που καταλαμβάνει το κάθε δομικό στοιχείο φαίνονται στον πίνακα Β1 - όπως και ο συντελεστής θερμοπερατότητας τους που αποτελεί βασικό στοιχείο για την κατανάλωση θέρμανσης που θα παρουσιαστεί παρακάτω. Τύπος θερμοκηπίου Τροποποιημένο τοξωτό Υλικά κατασκεύης U (W/m 2 /K) PΕ 6,5 Διαστάσεις l (m) Πλάτος 7 Μήκος 10 Ύψος 1 2,1 Ύψος 2 3,6 Επιφάνεια A (m 2 ) PΕ 169,66 Σύνολο 169,66 U (W/m 2 /K) Ucond 6,8 Πίνακας Β1 Πίνακας υπολογισμού συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας, U Στα πλαίσια της εργασίας διερευνήθηκε η θερμοκρασιακή συμπεριφορά του εδάφους υπό διαφορετικά υλικά κάλυψης. Για τους σκοπούς του πειράματος η επιφάνεια του εδάφους ορίστηκε σε τρεις περιοχές. Κάθε περιοχή είχε εμβαδόν 9.0m 2. Η πρώτη περιοχή έμεινε ακάλυπτη και ορίσθηκε ως γυμνό έδαφος. Η δεύτερη περιοχή καλύφθηκε από διογκωμένη πολυστερίνη (FIBRAN) πάχους 3,0cm. Τέλος, η τρίτη περιοχή καλύφθηκε από μικρή τοξωτή θερμοκηπιακή κατασκευή (προσομοίωση θερμοκηπίου). Κατά τη διάρκεια της έρευνας, η θερμοκρασία του εδάφους μετρήθηκε κάθε 5 λεπτά σε τρία διαφορετικά βάθη σε κάθε περιοχή. Ως εκ τούτου, εννέα 136

166 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα αισθητήρες θερμοκρασίας τύπου PT-100 θάφτηκαν σε βάθη 1,0m, 1,5m και 2,0m. Η καταγραφή και διαχείριση όλων των δεδομένων αποθηκεύονταν χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή με βάση το σύστημα απόκτησης δεδομένων (Data logger CR-10). Το Σχήμα Β1 απεικονίζει την πειραματική διάταξη σε τομή. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στη βαθμονόμηση των οργάνων μέτρησης με επαναληπτικούς ελέγχους και επαληθεύσεις από αρκετές μετρήσεις που έγιναν. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές, οι αισθητήρες θερμοκρασίας (ΡΤ-100 τύπου) μπορεί να παρουσιάζουν μια απόκλιση της τάξης του ± 2%, αλλά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αυτές οι διακυμάνσεις δεν έχουν σημαντική επίπτωση στα αποτελέσματα του πειράματος. Σχήμα Β1. Τομή πειραματική διάταξης Στα πλαίσια της εργασίας συμπεριλήφθηκε και η διαστασιολόγηση του συστήματος. Ένα κομμάτι ήταν εφικτό να κατασκευαστεί και γι αυτό μετά τον υπολογισμό τοποθετήθηκε οριζόντιος γεωεναλλάκτης σε βάθος 2m. Προτιμήθηκε η σπειροειδής διάταξη ώστε να επιλυθεί το πρόβλημα του διαθέσιμου χώρου που υπήρχε στην περιοχή που εντοπίζεται το θερμοκήπιο (60m 2 ). Για την κατασκευή του γεωεναλλάκτη χρησιμοποιήθηκαν 480m σωλήνα πολυαιθυλενίου μέτριας πυκνότητας. Το δίκτυο των σωληνώσεων αποτελούν τρεις διαδρομές από 160m η καθεμία ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα κακής κυκλοφορίας του ψυκτικού μέσου. Στις εικόνες Β2 και Β3 απεικονίζεται ο γεωεναλλάκτης μετά την τοποθέτηση καθώς και οι χωματουργικές εργασίες που απαιτήθηκαν για τη διάνοιξη της τάφρου. Το σύστημα διανομής δεν προσδιορίστηκε καθώς δεν καθορίστηκε το είδος της καλλιέργειας. Σε γενικές γραμμές προτείνεται κάποιο σύστημα με εργαζόμενο μέσο το νερό και όχι τον αέρα. Ο λόγος είναι ότι το σύστημα αποδίδει καλύτερα και είναι σαφώς πιο φθηνό. Σε αυτή την περίπτωση ίσως χρειαστεί συμπληρωματικός εξοπλισμός (δοχείο διαστολής). 137

167 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Εικόνα Β1 Χωματουργικές εργασίες για τη διάνοιξη τάφρου στο αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ στις εγκαταστάσεις του ΚΕΓΚ με σκοπό την εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας. Εικόνα Β2 Οριζόντιος γεωεναλλάκτης σπειροειδούς διάταξης στο αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ στις εγκαταστάσεις του ΚΕΓΚ με σκοπό την εγκατάσταση συστήματος αβαθούς γεωθερμίας. 138

168 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα 2.2. Υπολογισμοί σχεδιασμού συστήματος Ανάγκες θέρμανσης και δροσισμού-επιλογή αντλίας θερμότητας Για τον υπολογισμό των θερμικών απαιτήσεων του θερμοκηπίου χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις όπως αναλύονται στα κεφάλαια 3 και 4 του Α μέρους της εργασίας. Για την περίπτωση του δροσισμού εκτιμάται κατά πόσο μπορεί το σύστημα να επεκτείνει τη λειτουργία του θερμοκηπίου σε περιόδους εκτός της χειμερινής. Η προσέγγιση αυτή είναι επιβεβλημένη διότι το γεγονός ότι ο δροσισμός προέρχεται από ψυκτική μηχανή δεν επιτρέπει την απλή εφαρμογή ενεργειακού ισοζυγίου (Στα θερμοκήπια υπάρχουν παράγοντες όπως τα επίπεδα υγρασίας που δε γίνεται να παραβλεφθούν). Έτσι θα γίνει υπολογισμός βάσει της μεθόδου δροσισμού με αφύγρανση όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο 4 του A μέρους. Η επιλογή του συστήματος γίνεται με βάση τις απαιτήσεις θέρμανσης. Για τον υπολογισμό τον απαιτήσεων θέρμανσης χρησιμοποιούνται τα κατασκευαστικά δεδομένα του θερμοκηπίου όπως αυτά αναφέρονται στον πίνακα Β1, όπως και τα θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών στον ίδιο πίνακα. Ως επιθυμητή θερμοκρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου επιλέγονται οι 13 0 C. Η εξωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού θα ληφθεί ο μέσος όρος της περιόδου θέρμανσης, (όπως αυτή προκύπτει από τους 6 μήνες με τη χαμηλότερη ελάχιστη θερμοκρασία). Σύμφωνα με στοιχεία της ΕΜΥ είναι περίπου 4,5 ο C (Πίνακας Β2). Για να υπολογίσουμε την τεχνητή θέρμανση σε θερμοκήπιο απαιτούνται οι υπολογισμοί των απωλειών θερμότητας κατά τη διάρκεια της νύχτας καθώς και οι απώλειες λόγω αερισμού όπως περιγράφηκαν από τις εξισώσεις 1 και 2. Q A * U *( T T ) Θερμικές ανάγκες κατά τη διάρκεια της νύχτας c i o Q * N * V * c *( T T ) Θερμικές ανάγκες λόγω αερισμού vent p i o Ac : επιφάνεια υλικού κάλυψης (m 2 ) U: Συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας (W/m 20 C) p: Πυκνότητα αέρα (kgr/m 3 ) Ν: ανανεώσεις αέρα (ανανέωση/hr) V: όγκος θερμοκηπίου (m 3 ) cp: ειδική θερμότητα αέρα (kcal/kgrk) Ti: εσωτερική θερμοκρασία θερμοκηπίου (επιθυμητή) ( o C) To: εξωτερική θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου ( o C) 139

169 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Ορισμένα από τα παραπάνω μεγέθη μετρήθηκαν και άλλα υπολογίστηκαν. Επιγραμματικά αποτυπώνονται στον πίνακα Β3, ο τρόπος υπολογισμού του συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας όπως και των επιφανειών και του όγκου του θερμοκηπίου περιγράφονται στα παραρτήματα Α και Β. Θεσσαλονίκη: Γ. Μήκος (Lon) 22 ο 58'0" / Γ.Πλάτος (Lat) 40 ο 31'0"/ Ύψος 4μ. ΑΠΟΛΥΤΗ ΜΕΓ. ΘΕΡΜ.: 42 o C / ΑΠΟΛΥΤΗ ΕΛΑΧ. ΘΕΡΜ.: -14 o C ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: ο Εξάμηνο ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ Ελάχιστη Μηνιαία Θερμοκρασία Μέση Μηνιαία Θερμοκρασία Μέγιστη Μηνιαία Θερμοκρασία ο Εξάμηνο ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Ελάχιστη Μηνιαία Θερμοκρασία Μέση Μηνιαία Θερμοκρασία Μέγιστη Μηνιαία Θερμοκρασία Πίνακας Β2 Μετεωρολογικά δεδομένα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης (Πηγή:ΕΜΥ) 140

170 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Μέγεθος Τιμή Ac 290 Ucond 6,8 p 1,3 Ν 1 V 167 cp 0,24 Ti 13 To 4,5 Πίνακας B3 Δεδομένα θερμοκηπίου Η απαίτηση θέρμανσης για το θερμοκήπιο προκύπτει 9,879kW. Με βάση την τιμή αυτή επιλέγεται η αντλία θερμότητας. Έτσι η συσκευή που επιλέχθηκε έχει δυνατότητα θέρμανσης στα 11,6kW και δροσισμού στα 10,4kW. O κατασκευαστής δίνει τιμή COPh 3,92 και COPc 4,37. Λεπτομερέστερα χαρακτηριστικά της συσκευής παρατίθενται στο παράρτημα Γ. Πλέον με δεδομένη τη δυναμικότητα της συσκευής υπάρχει η δυνατότητα να γίνει και μια προσέγγιση της δυνατότητας δροσισμού με βάση την ανάλυση που έγινε στην παράγραφο του Α μέρους και με τη βοήθεια του ψυχρομετρικού χάρτη. Στην παρούσα εργασία θα εξετασθεί μόνο η δυνατότητα θέρμανσης θερμοκηπίου καθώς για τον σωστό δροσισμό με μία τέτοια συσκευή απαιτείται και η χρήση συσκευών ύγρανσης και η μελέτη ενός τέτοιου συστήματος ξεφεύγει από τα πλαίσια της διατριβής. Το σύστημα διανομής που υποθετικά σκοπεύει να καλύψει το εν λόγω σύστημα είναι ενδοδαπέδιο ή επιδαπέδιο (ο δροσισμός δεν πραγματοποιείται με τέτοια συστήματα) Διαστασιολόγηση γεωεναλλάκτη Για τον υπολογισμό του γεωεναλλάκτη επιλέχθηκε η μέθοδος που προτείνει η IGSHPA, που στην ουσία είναι μια παραλλαγή της μεθόδου κατά ASHRAE. Για τη χρησιμοποίηση της μεθόδου αυτής απαιτήθηκε η εκτίμηση κάποιων μεγεθών, που όπως αποδεικνύεται από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις εμπειρικές μεθόδους μπορεί να θεωρηθούν αποδεκτές. Ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του γεωεναλλάκτη εκτός από τον προσδιορισμό του μήκος περιλαμβάνει την επιλογή της διαμέτρου και του υλικού κατασκευής του σωλήνα. Ακόμα πρέπει να καθοριστεί η διάταξη των σωλήνων στο εσωτερικό του εδάφους καθώς και η λειτουργία του κυκλώματος. Όσον αφορά το μήκος όπως αναφέρεται και στο κεφάλαιο 4 η σχέση που το καθορίζει κατά IGSHPA είναι η σχέση

171 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα L h q d, heat ( COPh 1) ( Rp Rs Fh ) COP h Tg,min Tewt,min Οι παραδοχές που γίνονται στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι η χρήση των COP του κατασκευαστή, υπόθεση που ενδεχομένως να μην ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα όταν το σύστημα λειτουργεί. Ακόμα η Rs, που είναι η αντίσταση του εδάφους λαμβάνεται από σχετικές κατηγορίες χαρακτηριστικών εδαφών και όπως είναι φυσικό η σύσταση του εδάφους είναι σχετικά δύσκολο να ταυτίζεται πλήρως με μία γενική κατηγορία. Για το συγκεκριμένο σύστημα λήφθηκαν οι εξής τιμές q d,heat = 9,88kW Από τον υπολογισμό των θερμικών απαιτήσεων. COP h = 3,92 Από τα στοιχεία του κατασκευαστή για την αντλία θερμότητας. Rp= 0,15 θερμική αντίσταση του πολυαιθυλενίου μέσης πυκνότητας (λαμβάνεται από σχετικό πίνακα και εξαρτάται από τη μέση διατομή και το ρευστό που ρέει στο εσωτερικό του σωλήνα) (Kavannaugh & Rafferty,1997). Rs= 0,9 Εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους Πίνακας B4. Tg,min =13,6 0 C Ο υπολογισμός παρουσιάζεται αναλυτικά παρακάτω. Tewt,min= 5,6 0 C Εξαρτάται από την Tg,min. Πίνακας Β4 Χαρακτηριστικά μεγέθη διαφορετικών τύπων εδάφους (Πηγή:Ζησκάτας και άλλοι,2006) Η θερμοκρασία σε κάποιο βάθος (ή η διακύμανσή της με τις εποχές), Τ g, μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια οργάνων ή να υπολογιστεί από τη σχέση ως συνάρτηση του βάθους, X s, και της ημέρας του χρόνου (t) (βλ. Εξίσωση 16). 142

172 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα 2 X 365 s Tg ( X s, t) Tg As exp X s xcos t to Ως T g ορίζεται η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους, Α s η ετήσια διακύμανση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του εδάφους (T g,max T g,min, ), t o η σταθερά φάσης (σε ημέρες d), α η θερμική διαχυτότητα του εδάφους (k/ρc p ), k η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους, ρ η πυκνότητα του εδάφους και C p η ειδική θερμότητά του, όλα εξαρτώνται από τη φύση του εδάφους Πίνακας Β4. To Α s εξαρτάται από την περιοχή και τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής. Η τιμή της ποικίλλει από 5 μέχρι 20ºC, στις περισσότερες περιοχές στην Ελλάδα κυμαίνεται ανάμεσα στους 8-10ºC. Αυτό που απαιτείται συνήθως είναι η γνώση της ελάχιστης ετήσιας θερμοκρασίας στις εφαρμογές θέρμανσης και της μέγιστης ετήσιας θερμοκρασίας στις εφαρμογές δροσισμού του εδάφους σε συγκεκριμένο βάθος X s, οι οποίες δίνονται από τις σχέσεις 17,18 : T T A exp X g,min g s s 365 και T T A exp X g,max g s s 365 Η Tew,min λαμβάνεται περίπου 8 0 C, κάτω από την Tg,min Οι τιμές των θερμοκρασιών λήφθηκαν από πειραματικά δεδομένα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης πίνακας Σχήμα Β2 Σχήμα Β2 Μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες αέρα και εδάφους σε βάθος 150 cm (Τσιλιγκιρίδης και άλλοι,2002) 143

173 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Έτσι για το Τgmin οι υπολογισμοί γίνονται με τα δεδομένα που υπάρχουν διαθέσιμα από τον παραπάνω πίνακα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. Ως Tg λαμβάνεται η μέση ετήσια θερμοκρασία του εδάφους και ισούται με τη μέση θερμοκρασία της περιοχής αυξημένη κατά 2,9 0 C (Κουτελίδα,2010). Τιμή της μέσης ετήσιας διακύμανσης θερμοκρασίας στην επιφάνεια του εδάφους λαμβάνεται η μέση τιμή του εύρους για την Ελλάδα δηλαδή 9 0 C. Το βάθος αναφοράς λαμβάνονται τα 2m. Μέγεθος Τιμές Tg (Μέση θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους) ( 0 C) 17 As (Ετήσια διακύμανση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του εδάφους) ( 0 C) 9 Χs (Βάθος εδάφους) (m) 2 Tgmin (ελάχιστη θερμοκρασία εδάφους) ( 0 C) 13,6 Πίνακας Β5 Υπολογισμός μεγεθών για τη διαστασιολόγηση του γεωεναλλάκτη Ως αποτέλεσμα του παραπάνω υπολογισμού προκύπτει μήκος σωλήνα 448m. Ο υπολογισμός αυτός δεν απέχει πολύ από την εμπειρική προσέγγιση που προτείνει μήκος σωλήνα από 30-50m/kW. Δεδομένου ότι η θερμική απαίτηση είναι 9,88kW το εύρος του αποτελέσματος που προκύπτει είναι 297m-494m. Για την κατασκευή του γεωεναλλάκτη χρησιμοποιήθηκαν τρία επιμέρους κυκλώματα μήκους 150m το καθένα. Επιλέχθηκε η σπειροειδής διάταξη ώστε να είναι δυνατή η τοποθέτηση στην περιοχή δίπλα στο θερμοκήπιο. Δεδομένου του μεγέθους της τάφρου (4,5*12)- το βήμα ελίκωσης του γεωεναλλάκτη θα είναι 0,3m- αυτό προκύπτει από την ανάγκη να τοποθετηθούν ανά 1,5m πλάτους και 12m μήκους 150m σωλήνωσης. Έτσι οι κύκλοι θα έχουν ακτίνα 0,75m περίπου. Κατ αυτό τον τρόπο τοποθετούνται 3 κύκλοι/m κατά μήκος της τάφρου, ουσιαστικά κάνοντας εφικτή την χωροθέτηση 12m σωλήνα/m κατά μήκος της τάφρου. Η ίδια διαδικασία πραγματοποιείται και στα υπόλοιπα 2 κυκλώματα δίνοντας το επιθυμητό αποτέλεσμα. Σ αυτό το σημείο πρέπει να γίνει αναφορά και στη διάμετρο των σωληνώσεων που αποτελούν τον γεωεναλλάκτη. Το δίκτυο σωληνώσεων θα αντιμετωπιστεί σαν οριζόντιο σύστημα με επακόλουθο καθ όλη την έκταση του δικτύου να παρατηρείται σταθερή διάμετρος σωλήνα. Διάμετρος σωλήνα επιλέχθηκαν 25mm εξωτερική διάμετρος και πάχος σωλήνα 1,5mm (εσωτερική διάμετρος 22mm). Οι συνηθέστερες επιλογές διαμέτρου στις εφαρμογές γεωθερμίας είναι των 25mm και 32mm Υπολογισμός συμπληρωματικού εξοπλισμού Για τη λειτουργία του κυκλώματος του γεωεναλλάκτη, απαιτείται η ύπαρξη ενός κυκλοφορητή που θα διασφαλίζει την κυκλοφορία του νερού στο εσωτερικό του κυκλώματος. Για τον υπολογισμό του κυκλοφορητή ακολουθείται η παρακάτω μεθοδολογία (Λιάπης,2010). 144

174 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Για την ασφαλή και σωστή λειτουργία του συστήματος καθώς και για λόγους επισκεψιμότητας χρειάζεται η τοποθέτηση βανών, συστήματος ελέγχου καθώς και άλλων εξαρτημάτων. Για τον κυκλοφορητή που θα επιλεγεί χρησιμοποιείται χρειάζεται να υπολογιστεί η πτώση πίεσης που παρατηρείται στο κύκλωμα που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Ο υπολογισμός γίνεται με βάση την εξίσωση των Darcy-Weisbach (Psalidas,2010) 2 L p f * * d 2 (28) Δρ: Η πτώση πίεσης (Ρa) f: Ο αδιάστατος συντελεστής τριβής L: Το μήκος του σωλήνα σε μέτρα (m) d: Η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα (m) ρ: Η πυκνότητα του μέσου (kg/m 3 ) v: Η ταχύτητα της ροής (m/sec) Η μεθοδολογία που ακολουθείται είναι η ακόλουθη. Κατ αρχήν πρέπει να υπολογιστεί η απαιτούμενη κυκλοφορία νερού από τον γεωεναλλάκτη προς την αντλία θερμότητας. Για τη διάταξη γεωεναλλάκτη που επιλέχθηκε (σπειροειδής μορφή) εκτιμάται ότι ανά 3m 2 αποδίδει 1kW θερμότητας, συνεπώς βάσει της καλυπτόμενης επιφάνειας (περίπου 45m 2, ο κάθε κλάδος θα θεωρηθεί ότι αποδίδει ξεχωριστά ένα ποσό θερμότητας) κάθε βρόγχος αποδίδει περίπου 3kW θερμότητας προς το σύστημα. Κανονικά φαίνεται να αποδίδει παραπάνω αλλά η κοντινή απόσταση μεταξύ των βρόγχων, ενδεχομένως να επικαλύπτει αυτή τη δυνατότητα. Σε κάθε περίπτωση θα γίνει μία πιο επιφυλακτική προσέγγιση για ασφαλέστερα αποτελέσματα. Η παροχή στον κάθε κλάδο υπολογίζεται από την εξίσωση της συνέχειας. Q ό m * c * (29) p Ως Q βρόχου λαμβάνεται τα 3kW, Οι τιμές των ρ και cp είναι οι τιμές της πυκνότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας του νερού και είναι ρ=1 και c p =4,194, ενώ ως ΔΤ λαμβάνεται η διαφορά θερμοκρασίας εισόδου εξόδου νερού από την αντλία θερμότητας και βάσει των δεδομένων από τον κατασκευαστή είναι περίπου 8K. Συνεπώς η τιμή της παροχής υπολογίζεται για κάθε κλάδο m = 0,32m 3 /h. Η συνολική παροχή λαμβάνεται 145

175 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα m total = 1m 3 /h. Πλέον γνωρίζοντας την παροχή υπολογίζεται η ταχύτητα του ρευστού στο εσωτερικό του σωλήνα. Qό (30) 2 d * 4 Όπου d είναι η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα, στην εξεταζόμενη εφαρμογή έχει επιλεγεί 0,22mm. Η ταχύτητα που προκύπτει ως αποτέλεσμα είναι v=0,18m/sec. Πλέον μπορεί να υπολογιστεί ο αριθμός Re. * d Re (31) v Το κινηματικό ιξώδες για τις θερμοκρασίες αυτές είναι περίπου 1,3*10-6 m 2 /sec. Συνεπώς Re=3445. Για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης απομένει η εκτίμηση του f. Ο υπολογισμός του είναι εφικτός από την εξίσωση των Colebrook-White. 1 2,51 2*log f Re* f d (32) 3,71 Όπου ε η τραχύτητα του υλικού των σωληνώσεων (πολυαιθυλένιο) και η τιμή του μεγέθους είναι ε=0,0015mm. Επιλύοντας την εξίσωση προκύπτει f=0,048 Επιστρέφοντας στην εξίσωση Darcy - Weisbach, υπολογίζεται η πτώση πίεσης σε κάθε βρόχο λόγω του συνολικού μήκους του κυκλώματος. Έτσι Δp γραμ /βρόχο=1,59 Στη συνέχεια θα εκτιμηθεί η απώλεια πίεσης λόγω των αλλαγών κατεύθυνσης της ροής. Στις περιπτώσεις δικτύων σωληνώσεων μπορεί να υπολογιστεί η απώλεια πίεσης λόγω στροφής του σωλήνα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση θα θεωρηθεί ο κάθε κύκλος ως διπλή στροφή και η συνολική απώλεια πίεσης λόγω της τοποθέτησης των σωληνώσεων θα υπολογιστεί ως γινόμενο της ποσότητας αυτής με το σύνολο των κύκλων του κάθε βρόχου. Από την προηγούμενη ενότητα είναι γνωστά η ακτίνα του κάθε κύκλου r =0,75m καθώς και ο συνολικός αριθμός των κύκλων ανά βρόχο (36). Η απώλεια πίεσης λόγω αλλαγής κατεύθυνσης προσδιορίζεται μέσω ενός μεγέθους που ονομάζεται ισοδύναμο μήκος L e. Από τη βιβλιογραφία μέσω διαγραμμάτων λαμβάνεται η τιμή της ποσότητας L e /d συναρτήσει της σχέσης r/d. 146

176 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β3 Διάγραμμα συσχέτισης απωλειών πίεσης- αλλαγής κατεύθυνσης σωλήνα (Πηγή:Λιάπης 2010) Βάσει του παραπάνω διαγράμματος (Σχήμα Β3) για r=0,75m και d=0,022 προκύπτει ο λόγος ίσος με 3 άρα o L e /d =80 και από εδώ υπολογίζεται το L e =17,6. Στη συνέχεια επαναλαμβάνεται ο υπολογισμός της Δp με τιμή μήκος την τιμή του L e. Το αποτέλεσμα πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό των κύκλων ανά βρόγχο ώστε να προκύψει η συνολική πτώση πίεσης εξαιτίας της αλλαγής. Το αποτέλεσμα είναι Δp μετ / κύκλο = 0,06 Δp μετ / βρόχο=2,23 Δp total = (Δp γραμ /βρόγχο + Δp μετ / βρόγχο)*3=(1,59+2,23)*3=11,5 (33) Στο πρόβλημα εμφανίζονται και οι απώλειες πίεσης του κεντρικού αγωγού οι οποίες είναι αμελητέες λόγω του μικρού μήκους του συλλέκτη καθώς και εκείνες που οφείλονται στις συνδέσεις και είναι επίσης μικρές καθώς είναι επίσης λίγες. Η επιλογή του κυκλοφορητή γίνεται βάσει των χαρακτηριστικών καμπυλών όπως αυτές δίνονται από το διάγραμμα της εταιρίας WILO. Εξαιτίας της μικρής παροχής που απαιτεί το σύστημα, ο κυκλοφορητής που επιλέγεται είναι ο Wilo-TOP-S 25/13. Τα χαρακτηριστικά του αναγράφονται στο παράρτημα Δ. 147

177 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β4 Διάγραμμα μανομετρικού-παροχής για την επιλογή κυκλοφορητή (Πηγή:Wilo) 2.3 Υπολογισμός εξοικονόμησης εκπομπών CO2 Σημαντικό κριτήριο για την επιλογή οποιουδήποτε συστήματος θέρμανσης αποτελεί και η συνεισφορά του στη βελτίωση των περιβαλλοντικών συνθηκών. Σύμφωνα με όσα αναλύθηκαν στο Α μέρος της εργασίας και με βάσει το ενεργειακό μίγμα της Ελλάδας για ηλεκτροπαραγωγή θα γίνει ο υπολογισμός της εξοικονόμησης εκπομπών ρύπων από το σύστημα. Η εκπομπή ρύπων θα συγκριθεί με τις εκπομπές που αντιστοιχούν στα ευρέως διαδεδομένα καύσιμα. Σύμφωνα με τα στοιχεία της ΔΕΗ, το μίγμα καυσίμου για ηλεκτροπαραγωγή στην Ελλάδα αποτελείται από τις πηγές που αναγράφονται στον πίνακα B6. Βάσει των στοιχείων αυτών μπορεί να υπολογιστεί η ποσότητα των ρύπων που εκλύεται ανά παραγόμενη ηλεκτρική κιλοβατώρα. Στον πίνακα B7 φαίνεται επιπλέον η ποσότητα ρύπων που εκλύεται ανά παραγόμενη κιλοβατώρα από κάθε πηγή(στο συγκεκριμένο πίνακα η εκπομπή ρύπων από ηλεκτροπαραγωγή είναι ο ευρωπαϊκός μέσος όρος και δε χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς). Να σημειωθεί ότι η ποσότητα που αναφέρεται στους υπολογισμούς στο πετρέλαιο είναι η μέση τιμή από όλη την ελληνική επικράτεια. 148

178 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Ανάλυση παραγωγής Ποσοστό % Λιγνιτική 47,64% Πετρελαϊκή 8,19% Φυσικού αερίου 24,26% Υδροηλεκτρική 6,00% ΑΠΕ 10,23% Διασυνδέσεις 3,69% Σύνολο 100,00% Πίνακας Β6 Ποσοστό συμμετοχής των αναγραφέντων πηγών για ηλετροπαραγωγή στην Ελλάδα. (Πηγή: ΔΕΗ) Πίνακας Β7 Εκπομπή CO 2 ανά μονάδα ενέργειας (Πηγή: 2002/741/ΕΚ) 149

179 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Η αναγωγή σε kwh για τα βασικότερα καύσιμα συστημάτων θέρμανσης φαίνεται στον πίνακα Β8 Καύσιμο Εκπομπή gco 2 /kwh Φυσικό αέριο 430 Πετρέλαιο 750 Pellet 62 Ηλεκτρικό ρέυμα 1342 Πίνακας Β8 Εκπομπή gco 2 /kwh για τα αναγραφέντα καύσιμα Για να υπολογιστεί η συνολική εκπομπή θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν η ενέργεια που απαιτείται για να καλυφθούν οι θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου λαμβάνοντας φυσικά υπ όψιν και τους σχετικούς βαθμούς απόδοσης. Για την εκτίμηση θα γίνει η παραδοχή ότι το σύστημα λειτουργεί 1200 ώρες. Οι θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου ανέρχονται στα 9,88kW εγκατεστημένης ισχύος. Στον πίνακα Β9 που ακολουθεί αναφέρονται τα θερμικά συστήματα που συγκρίνονται, η ισχύς του καθενός, ο βαθμός απόδοσης και εν τέλει η ισχύς που απαιτείται ώστε να καλυφθούν οι θερμικές ανάγκες. Σύστημα Θέρμανσης Αποδιδόμενη Ισχύς (kw) Βαθμός απόδοσης Καταναλισκόμενη ισχύς (kw) Ώρες λειτουργίας (h) Καταναλισκόμενη ενέργεια (kwh) Γεωθερμική αντλία θερμότητας 10 3,92 2, Σύστημα καυστήρα-λέβητα πετρελαίου 10 0,9 11, Σύστημα καυστήρα-λέβητα φυσικού αερίου Σύστημα καυστήρα-λέβητα pellet 10 0, ,95 10, , Πίνακας Β9 Συστήματα προς εξέταση και ενεργειακή τους περιγραφή (Βαθμός απόδοσης, καταναλισκόμενη ισχύς, ώρες λειτουργίας και καταναλισκόμενη ενέργεια) Αντίστοιχα στον πίνακα Β10 φαίνεται η εκπομπή των ρύπων συνολικά ανά σύστημα, για τις ώρες λειτουργίας που επιλέχθηκαν ως λειτουργία αναφοράς. 150

180 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σύστημα Θέρμανσης Εκπομπή gco 2 /kwh Καταναλισκόμενη ενέργεια (kwh) Συνολική εκπομπή CO 2 (g) Γεωθερμική αντλία θερμότητας Σύστημα καυστήρα-λέβητα πετρελαίου Σύστημα καυστήρα-λέβητα φυσικού αερίου Σύστημα καυστήρα-λέβητα pellet Πίνακας Β10 Εκπομπή CO 2 ανά εξεταζόμενο σύστημα Η εξοικονόμηση ρύπων από τη χρήση του συστήματος αβαθούς γεωθερμίας είναι στην σύγκριση με το σύστημα πετρελαίου g δηλαδή μία μείωση της τάξης του 67% ενώ αντίστοιχα για το φυσικό αέριο το ποσό ανέρχεται στα g και αποτελεί μία ποσοστιαία μείωση του 39,5%. Το σύστημα pellet αποτελεί την επιλογή που εκπέμπει τα μικρότερα ποσά CO 2. Τα αποτελέσματα θα σχολιασθούν εκτενώς σε επόμενο κεφάλαιο. 2.4 Οικονομικά δεδομένα Η εφαρμογή ενός συστήματος θέρμανσης σε θερμοκήπιο εκτός από τις ενεργειακές ανάγκες θα πρέπει να είναι και οικονομικά βιώσιμο ώστε να μπορεί να επιλεγεί από τον εκάστοτε παραγωγό ως λύση. Η εκτίμηση της οικονομικής σκοπιμότητας θα γίνει συγκρίνοντας την επιλογή αυτή με κάποια άλλη ενός συμβατικού συστήματος, αλλά και με την περίπτωση της αντικατάστασης. Στην εκτίμηση θα ληφθούν υπ όψιν μόνο οι καταναλώσεις ενέργειας συνεπώς θα εκτιμηθεί η απόσβεση βάσει των δαπανών μόνο και όχι των εισροών κεφαλαίου. Ο λόγος είναι ότι δεν υπάρχει καλλιέργεια ώστε να μελετηθεί το αντίκτυπο του εκάστοτε συστήματος στην απόδοση της και να συνυπολογισθεί και αυτός ο παράγοντας. Οι τιμές καυσίμου και συσκευών είναι τιμές του 2012 για την Ελλάδα. Οι λύσεις που θα εξεταστούν είναι ίδιες με αυτές που εξετάστηκαν στην προηγούμενη ενότητα και αφορούσαν την περιβαλλοντική αποτίμηση από τη χρησιμοποίηση των εκάστοτε συστημάτων. Το σύστημα διανομής θα θεωρηθεί το ίδιο για όλες τις περιπτώσεις ώστε να επικεντρωθεί η προσοχή κυρίως στο κόστος εγκατάστασης και τα λειτουργικά έξοδα. Στον πίνακα Β11 που ακολουθεί αποτυπώνεται το κόστος εγκατάστασης για κάθε ένα από τα εξεταζόμενα συστήματα καθώς και σχετικές λεπτομέρειες. Τα στοιχεία κάθε συσκευής καθώς και η πηγή προέλευσης αναφέρονται στο παράρτημα Ε. 151

181 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Τύπος συστήματος Κόστος βασικών συσκευών (ευρώ) Κόστος συμπληρωματικού εξοπλισμού (ευρώ) Λοιπές (ευρώ) Δαπάνες Σύνολο (ευρώ) Σύστημα Αβαθούς Γεωθερμίας Αντλία θερμότητας θερμικής ισχύος 11,6kW, COP:3, Κυκλοφορητής γεωεναλλάκτη Ισχύος: Παροχής: 200 Χωματουργικές εργασίες, τοποθέτηση γεωεναλλάκτη, εργατικά Συλλέκτης 50 Γεωεναλλάκτης 700 Σωλήνες συνολικού 480m PE μήκους Σύστημα θέρμανσης πετρελαίου Λέβητας 20-23kW β.α: 91% Καυστήρας 20kW Δοχείο αποθήκευσης 700l (πλαστικό) Κυκλοφορητής 179 Χώρος αποθήκευσης καυσίμου και λεβητοστάσιο 118 Εργατικά β. α: 92% Σύστημα θέρμανσης φυσικού αερίου Λέβητας αερίου 11,5-23,8kW β. α: 93,4% 880 Λεβητοστάσιο 500 Εργατικά Καυστήρας αερίου 11-37kW % Σύστημα θέρμανσης pellet Σόμπα νερού 10kW pellet ισχύος 1392,5 Χώρος αποθήκευσης καυσίμου 500 Εργατικά β. α: 92% Λέβητας 15-25kW με ενσωματωμένο καυστήρα β. α :91% 2265 Χώρος αποθήκευσης καυσίμου και λεβητοστάσιο 700 Εργατικά Πίνακας Β11 Στοιχεία κόστους παραλλαγών συστημάτων θέρμανσης. 152

182 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Στον πίνακα παρουσιάστηκε το αρχικό κόστος συστημάτων θέρμανσης που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν μία θερμοκηπιακή καλλιέργεια. Για να εξαχθούν συμπεράσματα πρέπει να καταγραφούν και τα κόστη των καυσίμων του κάθε συστήματος. Στον πίνακα Β21 γίνεται αποτύπωση των τιμών. Καύσιμο Κόστος (ευρώ/kwh) Καταναλισκόμενη ενέργεια ανά έτος (kwh) Συνολικό (ευρώ) κόστος Ηλεκτρικό ρεύμα 0, Πετρέλαιο θέρμανσης 0, Φυσικό αέριο 0, Pellet 0, Πίνακας Β12 Κόστος καυσίμων και συνολικό λειτουργικό κόστος (Πηγή: ΔΕΗ) Να σημειωθεί ότι η επιλογή της τιμής της κιλοβατώρας του ηλεκτρικού ρεύματος μεταβάλλεται ανάλογα με την κατανάλωση, οπότε επιλέχθηκε η κλίμακα που αντιστοιχεί στην κατανάλωση που ορίστηκε στην προηγούμενη ενότητα (1200kWh). Ακόμα στα έξοδα δε λαμβάνονται υπ όψιν οι δαπάνες συντήρησης. Η αποτίμηση της οικονομικής αποδοτικότητας του κάθε συστήματος θα γίνει με βάση τη μέθοδο του χρόνου αποπληρωμής. Αυτό μπορεί να γίνει για κάθε περίπτωση συγκρίνοντας την εφαρμογή που πρόκειται να εγκατασταθεί με τα υπόλοιπα συστήματα (Α.Μ. Παπαδόπουλος,2003). Είναι εμφανές ότι η αντλία θερμότητας επιτυγχάνει την κάλυψη των θερμικών αναγκών με το μικρότερο δυνατό λειτουργικό κόστος. Αν επιλεγότανε η αντικατάσταση ενός από τα υπόλοιπα συστήματα με ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας ο χρόνος αποπληρωμής της επένδυσης ορίζεται από τη σχέση 34. IC PB (34) SC PB: Χρόνος αποπληρωμής (έτη) IC: Δαπάνη επένδυσης 153

183 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα SC: Εξοικονόμηση Στον πίνακα B13 φαίνεται η σύγκριση μεταξύ όλων των δυνατών αντικαταστάσεων και ο χρόνος αποπληρωμής. Δαπάνη επένδυσης (ευρώ) Ετήσια δαπάνη επιλεγόμενης λύσης (ευρώ/έτος) Ετήσια δαπάνη λύσης προς αντικατάσταση (ευρώ/έτος) Εξοικονόμηση (ευρώ/έτος) Χρόνος αποπληρωμής (έτη) Σύστημα πετρελαίου , Σύστημα Φυσικού αερίου Σύστημα Pellet , ,5 Πίνακας Β13 Χρόνος αποπληρωμής επένδυσης στην περίπτωση αντικατάστασης των αναγραφέντων συστημάτων από σύστημα αβαθούς γεωθερμίας. Στην περίπτωση που τα συστήματα εγκαθίστανται από την αρχή η απόσβεση εκτιμάται με τη μεθοδολογία της καθαρά παρούσας αξίας. Για το σκοπό αυτής της εκτίμησης θα θεωρηθεί μία σταθερή εισροή χρημάτων (ως υποτιθέμενα έσοδα από την καλλιέργεια) για κάθε σύστημα. Έτσι θα μπορέσει να γίνει εμφανής η σύγκριση μεταξύ των συστημάτων. Γίνεται η παραδοχή ότι το μοναδικό μεταβλητό κόστος μεταξύ των περιπτώσεων είναι οι δαπάνες ενέργειας και ως εκ τούτου θα ληφθούν ως οι μοναδικές εκροές δαπανών. Η μέθοδος της Καθαράς Παρούσας Αξίας συνοψίζεται στα ακόλουθα βήματα. 1. Ως καθαρά παρούσα αξία μπορεί να ορισθεί η διαφορά μεταξύ εισροών και εκροών χρημάτων από μία επιχείρηση 2. Πρακτικά συγκρίνει τη σημερινή αξία του χρήματος λαμβάνοντας υπ όψιν το επιτόκιο και τα καθαρά κέρδη της επιχείρησης. 3. Αν η καθαρά παρούσα αξία προκύψει θετική η επένδυση κρίνεται σκόπιμη. 4. Αν η καθαρά παρούσα αξία προκύψει αρνητική η επένδυση δεν κρίνεται σκόπιμη 154

184 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα 5. Αν η καθαρά παρούσα αξία προκύψει 0 επίσης η επένδυση ρέπει προς την απόρριψη καθώς είναι πλήρως ισοσταθμισμένα τα έσοδα με τα έξοδα. 6. Δύο επενδυτικές προτάσεις είναι δυνατόν να συγκριθούν με βάση τη μέθοδο αυτή- η πρόταση με την υψηλότερη καθαρά παρούσα αξία κρίνεται η πιο συμφέρουσα. (Α.Μ. Παπαδόπουλος,2003) Για τις ανάγκες της μελέτης θα ορισθεί ως ετήσια εισροή χρημάτων τα 7000ευρώ, αυξανόμενα κατά 5% ετησίως. Το επιτόκιο βάσης ορίζεται το 4%. Ως χρονικός ορίζοντας θα επιλεγούν τα 5 έτη. Η σχέση που υπολογίζει την καθαρά παρούσα αξία είναι η εξίσωση 35. NPV CF CF CF CF CFo 1 0,04 1 0,04 1 0,04 1 0,04 1 0,04 CF n n (35) NPV: Καθαρά παρούσα αξία CF o : Αρχικό κόστος επένδυσης CF n : Χρηματοροή για το έτος n (Έσοδα-Έξοδα) n: έτος Στον πίνακα Β15 γίνεται ο υπολογισμός της καθαράς παρούσας αξίας για κάθε σύστημα. Τα δεδομένα των χρηματορροών όπως ορίστηκαν αποτυπώνονται στον πίνακα Β14, ενώ η αρχικές δαπάνες στον πίνακα Β11. Σύστημα Χρηματορροή 1 ου έτους Χρηματορροή 2 ου έτους Χρηματορροή 3 ου έτους Χρηματορροή 4 ου έτους Χρηματορροή 5 ου έτους Έσοδα Έξοδα Έσοδα Έξοδα Έσοδα Έξοδα Έσοδα Έξοδα Έσοδα Έξοδα Αβαθούς γεωθερμίας Πετρελαίου Φυσικού αερίου Σόμπας pellet Καυστήραλέβητα pellet Πίνακας Β14 Χρηματορροές 5ετίας για τα εξεταζόμενα συστήματα θέρμανσης 155

185 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σύστημα Καθαρά παρούσα αξία (ευρώ) Σκοπιμότητα επένδυσης Αβαθούς γεωθερμίας ΝΑΙ Πετρελαίου ΝΑΙ Φυσικού αερίου ΝΑΙ Σόμπας pellet ΝΑΙ Καυστήρα-λέβητα pellet ΝΑΙ Πίνακας Β15 Υπολογισμός καθαράς παρούσας αξίας ανά σύστημα και σκοπιμότητα επένδυσης. 2.5.Υπολογισμός απόδοσης του συστήματος με διαφορετικά υλικά κάλυψης και σε διαφορετικά βάθη Πειραματικά δεδομένα Η κατάστρωση της πειραματικής διάταξης περιγράφεται στην παράγραφο 2.1. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρατίθενται στους παρακάτω πίνακες. Επειδή οι μετρήσεις είναι πάρα πολλές- όπως ήδη έχει αναφερθεί μία ανά 5 λεπτά υπολογίστηκαν οι μέσοι όροι της κάθε ημέρας ώστε τα αποτελέσματα να είναι εύχρηστα και να είναι εμφανέστερη η όποια συγκριτική διαφορά. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται αφορούν την περίοδο από 29/08/ /02/2011. Η περίοδος θέρμανσης μπορεί να θεωρηθεί από 29/09/ /02/2011. Ενδιαφέρον παρουσιάζει παρ όλα αυτά και η συμπεριφορά του εδάφους κατά τις μετρήσεις του Σεπτεμβρίου καθώς το σύστημα υπό προϋποθέσεις μπορεί να λειτουργήσει και για δροσισμό. Όποιες απότομες διαταραχές παρατηρούνται οφείλονται σε σφάλματα κατά τις μετρήσεις από εξωτερικούς παράγοντες. Στα αντίστοιχα γραφήματα φαίνεται και η διακύμανση της θερμοκρασίας του εδάφους γραφικά. Για την ευκολία της ανάγνωσης των αποτελεσμάτων παρατίθεται η θέση του κάθε αισθητήρα στην πειραματική διάταξη στο σχήμα Β5. Η επιλογή της αρίθμησης προέρχεται από τη σειρά βαθμονόμησης των αισθητήρων και δεν έχει κάποια ιδιαίτερη σημασία σχετικά με το πείραμα. Διατηρήθηκε η ίδια ώστε να μπορεί να γίνει διασταύρωση στοιχείων με τα αντίστοιχα αρχεία ΑΤ και Excel. Οι μετρήσεις της εξωτερικής θερμοκρασίας σταμάτησαν να μετρώνται από τα μέσα Οκτώβρη του 2010 από τον αισθητήρα αλλά λαμβάνονταν από τις μετρήσεις μετεωρολογικού σταθμού. 156

186 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β5 Κάτοψη διάταξης αισθητήρων και αρίθμηση. Στους πίνακες και τα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται όλες μετρούμενες θερμοκρασίες καθώς και γραφική παράσταση αυτών. Να σημειωθεί ότι οι τιμές σε στρογγυλοποιούνται αλλά δίνονται όπως αυτές προέκυψαν ως μετρήσεις από την πειραματική διαδικασία ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο εμφανής έστω και η μικρή διαφορά που προκύπτει εξαιτίας της μεταβολής του βάθους ή του διαφορετικού υλικού κάλυψης. Απουσιάζει η παρουσίαση του Ιανουαρίου καθώς υπήρξαν τεχνικά προβλήματα- αντικατάσταση ορισμένων αισθητήρων και εκ νέου βαθμονόμηση του συστήματος. Οι μέρες που υπάρχουν διαθέσιμες μετρήσεις δεν είναι αρκετές ώστε να δώσουν ξεκάθαρη εικόνα για αυτόν το μήνα. 157

187 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 30-Αυγ 27, , , , , , , , , Αυγ 14, , , , , , , , , Σεπ 14, , , , , , , , , Σεπ 26, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 22, , , , , , , , , Σεπ 22, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , ,211 20, , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 21, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 20, , , , , , , , , Σεπ 19, , , , , , , , , Πίνακας Β16 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/08/ /09/

188 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β6 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Σεπ) Σχήμα Β7 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Σεπ) Σχήμα Β8 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Σεπ) 159

189 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 30-Σεπ 20, , , , , , , , , Οκτ 20, , , , , , , , , Οκτ 19, , , , , , ,025 20, , Οκτ 19, , , , , , , , , Οκτ 20, , , , , , , , , Οκτ 20, , , , , , , , , Οκτ 20, , , ,682 20, , , , , Οκτ 19, , , , , , ,381 20, , Οκτ 19, , , , , , , , , Οκτ 18,649 19, , , , , , , , Οκτ 17, , , , , , , , , Οκτ 22, , , , , , , , , Οκτ 18,676 18, , , , , , , , Οκτ 18, , , , , , , , , Οκτ 17, , , , , , , , , Οκτ 18, , , , , , , , , Οκτ 17, , , , , , , , , Οκτ 17, , , , , , , , , Οκτ 18, , , , , , , , , Οκτ 16, , , ,352 19, , , , , Οκτ 13, , , , , , , , , Οκτ 17, , , ,622 19, , , , , Οκτ 16, , , , , , , , , Οκτ 17, , , , ,079 18, , , , Οκτ 17, , , , , , ,234 19, , Οκτ 16, , , , , , , , , Οκτ 16, , , , , , , , , Οκτ 17, , , ,898 18, , , , , Οκτ 16, , , ,234 17, , , , , Οκτ 15, , , , , , , , ,90116 Πίνακας Β17 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/09/ /10/

190 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β9 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Οκτ) Σχήμα Β10 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Οκτ) Σχήμα Β11 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Οκτ) 161

191 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 30-Οκτ 15, , , , , , , , , Οκτ 16, , , , , , , , , Νοε 15, , , , , ,642 17, , ,747 2-Νοε 13, , , , , , , , , Νοε 15, , , , , , , , , Νοε 17, , , , , , ,392 17, , Νοε 17, , , , , , , , , Νοε 17, , , , , , , , , Νοε 15, , , , , , ,544 18, , Νοε 18, , , , , , , , , Νοε 14,87 17, , , , , , , , Νοε 15, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , ,206 17, , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 15, , , , , , , , , Νοε 17, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 15, , , , ,592 15, ,866 17, , Νοε 14, , , , ,36 15, , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , ,872 16,896 16, Νοε 13, , , , , , , , , Νοε 13, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 16, , , , , , , , , Νοε 14, , , , , , , , , Νοε 17, , , , , , ,33 16,49 15, Νοε 14, , , , , , , , ,6463 Πίνακας Β18 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/10/ /11/

192 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β12 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Νοε) Σχήμα Β13 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Νοε) Σχήμα Β14 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Νοε) 163

193 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 30-Νοε 14, , , , , , , , , Δεκ 16, , , , , , , , , Δεκ 23, , , , , , , , , Δεκ 11, , , , , , , , , Δεκ 14, , , , , , , , , Δεκ 14, , , , , , , , , Δεκ 14, , , , , , ,344 16, , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 14, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 13, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 11, , , , , , , , , Δεκ 11, , , , , , , , , Δεκ 10, , , , , , , , , Δεκ 9, , , , , , , , , Δεκ 10, , , , , , , , , Δεκ 9, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Δεκ 12, , , , , , , , , Πίνακας Β19 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/11/ /12/

194 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β15 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Δεκ) Σχήμα Β16 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Δεκ) Σχήμα Β17 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Δεκ) 165

195 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 30-Ιαν 10, , , , , , , , , Ιαν 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 12, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 10, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 12, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 10, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 8, , , , , , ,338 14, , Φεβ 17, , , , , , , , , Φεβ 17, , , , , , , , , Φεβ 10, , , , , , , , , Φεβ 11, , , , , , , , , Φεβ 7, , , , , , , , , Φεβ 11, , ,789 9, , , , , , Μαρ 9, , , , , , , , , Πίνακας Β20 Θερμοκρασίες αισθητήρων από 30/01/ /03/

196 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β18 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 0,5m (Φεβ) Σχήμα Β19 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 1,5m (Φεβ) Σχήμα Β20 Μεταβολές θερμοκρασίας υπό διαφορετική κάλυψη σε βάθος 2,0m (Φεβ) 167

197 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 SEPT 21, , ,056 21, , , , , ,4767 OCT 18, , , , , , , , ,84044 NOV 15, , , , , , , , ,81695 DEC 13, , , , , , , , ,19251 FEB 11, , , , , , , , ,80679 Πίνακας Β21 Μέσοι μηνιαίοι όροι θερμοκρασιών σε κάθε αισθητήρα 1,0m F 1,5m F 2,0m F 1,0m BG 1,5m BG 2,0m BG 1,0m PE 1,5m PE 2,0m PE Temp 13 Temp 18 Temp 16 Temp 11 Temp 15 Temp 17 Temp 6 Temp 12 Temp 4 15, , , , , , , , ,02668 Πίνακας Β22 Μέσος όρος θερμοκρασιών σε όλες τις τοποθετήσεις για τους 5 μήνες πειραματικών μετρήσεων. Σχήμα Β21. Γραφική απεικόνιση μέσου όρου θερμοκρασιών σε όλες τις τοποθετήσεις για τους 5 μήνες πειραματικών μετρήσεων 168

198 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Υπολογισμοί COP Για τον υπολογισμό του COP θα πρέπει να οριστεί κάποιο είδος ψυκτικού μέσου που θα κυκλοφορεί στην αντλία. Επιλέγεται ένα από τα πιο διαδεδομένα και φιλικό προς το περιβάλλον το R134a (Σχετική ανάλυση στην παράγραφο ). Βάσει του μέσου θα γίνει και η επιλογή του αντίστοιχου διαγράμματος h-p από το οποίο θα γίνει η επιλογή των τιμών της ενθαλπίας για να εξαχθεί ο βαθμός απόδοσης σύμφωνα με τη μεθοδολογία που αναπτύσσεται στην παράγραφο του Α μέρους. Μπορεί να γίνει και υπολογισμός με τη βοήθεια του θεωρητικού κύκλου Carnot έτσι ώστε να γίνει η σύγκριση μεταξύ των COP υπό διαφορετικά βάθη και διαφορετικούς τύπους κάλυψης. Η χρήση του κύκλου Carnot έχει καθαρά σκοπό να αναδείξει τη συγκριτική διαφορά μεταξύ των διαφόρων περιπτώσεων και οι τιμές του δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Η καλύτερη προσέγγιση γίνεται με τον κύκλο συμπίεσηςσυμπύκνωσης ατμών. Ως θερμοκρασίες θα ληφθούν οι μέσες τιμές του πίνακα. Η σχέση που δίνει τον COP στον κύκλο συμπίεσης-συμπύκνωσης ατμών. Έργο συμπιεστή = h3 - h2 Θερμότητα αποδιδόμενη στο συμπυκνωτή = h3 - h4 Το έργο που δαπανήθηκε αποτελεί το έργο του συμπιεστή και η ωφέλιμη θερμότητα η θερμότητα που αποδίδεται στον συμπυκνωτή. Έτσι ο μέγιστος θεωρητικός βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από τη σχέση 36. COP heating T hot T hot T cold (36) Ο κύκλος που μπορεί να προσεγγίσει καλύτερα είναι ο κύκλος Rankine (σχήμα Β22). Ουσιαστικά αποτελείται από τέσσερεις διεργασίες. Μία ισοβαρής εξάτμιση στον εξατμιστή (Evaporator), η οποία περιγράφεται από τη διεργασία 1-2 στο διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης. Στη συνέχεια το εξατμισμένο μέσο συμπιέζεται στον συμπιεστή (Compressor) μία διεργασία που περιγράφεται από τη διεργασία 2-3. Κατά την έξοδο του από τον συμπιεστή είναι πλέον υπέρθερμος ατμός. Στον συμπυκνωτή (Condenser) το ψυκτικό μέσο αποδίδει τη θερμότητα που έχει αποκτήσει κατά τη συμπίεση του. Η απόδοση της θερμότητας στο κύκλωμα διανομής γίνεται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας. Η διεργασία αυτή φαίνεται στο διάγραμμα στη διαδρομή 3-4. Τέλος μία εκτονωτική βαλβίδα ρίχνει την πίεση του ψυκτικού μέσου σε επίπεδα τέτοια ώστε να είναι εφικτή η εξάτμισή του σε θερμοκρασίες που προσεγγίζουν τις θερμοκρασίες περιβάλλοντος. 169

199 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β22 Διάγραμμα πίεσης ενθαλπίας και διαδρομή της εξεταζόμενης διεργασίας (Πηγή: Le Feuvre 2007) O COP μπορεί να υπολογιστεί μέσω της σχέσης 37. COP h h 3 4 h3 h (37) 2 Από το σχετικό διάγραμμα (σχήμα Β24), λαμβάνονται οι τιμές της ενθαλπίας ανάλογα με τις αντίστοιχες θερμοκρασίες. Απουσία πειραματικών δεδομένων, όσον αφορά το σύστημα σε λειτουργία, θα γίνουν κάποιες παραδοχές όσον αφορά τις θερμοκρασίες εισόδου-εξόδου από την αντλία θερμότητας. Έτσι θα είναι δυνατή η σύγκριση μεταξύ των εξεταζόμενων περιπτώσεων. Επιλέγεται είσοδος νερού σε θερμοκρασίες ίσες με τις μέσες τιμές που υπολογίστηκαν για τον κάθε τύπο κάλυψης σε πίεση 1bar. Αντίστοιχα θεωρείται ότι το νερό θερμαίνεται μέχρι τους C σε πίεση 5bar. Αφού αποδοθεί η θερμότητα, η θερμοκρασία πέφτει στους 5 0 C στην ίδια πίεση. Πλέον υπάρχουν όλα τα δεδομένα για τον υπολογισμό του COP (Πίνακας Β23). Απεικόνιση των τιμών του COP στο σχήμα Β23. Βάθος και τύπος κάλυψης T2 T3 T4 H2 H3 H4 COP 1,0F 15, , ,7 206,8 3, ,5F 16, , ,7 206,8 3, ,0F 16, , ,7 206,8 3, ,0BG 15, , ,7 206,8 3, ,5BG 15, , ,7 206,8 3, ,0BG 16, , ,7 206,8 3, ,0PE 16, , ,7 206,8 3, ,5PE 17, , ,7 206,8 3, ,0PE 18, , ,7 206,8 4, Πίνακας B23 COP υπό διαφορετικές καλύψεις και σε διαφορετικά βάθη 170

200 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Σχήμα Β23 Γραφική παράσταση COP υπό διαφορετικές καλύψεις και διαφορετικά βάθη. Σχήμα Β24 Διάγραμμα Πίεσης-Ενθαλπίας για το ψυκτικό μέσο R134a (Πηγή:E.Hansen I.Aartun 1999) 171

201 2.Υλικά και μέθοδοι-αποτελέσματα Πιο χρήσιμος παρ όλα αυτά θεωρείται ο υπολογισμός του βαθμού απόδοσης ανά περίπτωση για τους μήνες θέρμανσης, δηλαδή Νοέμβριο, Δεκέμβριο και Φεβρουάριο. Στον πίνακα Β24 φαίνεται ο μέσος όρος των θερμοκρασιών για τον κάθε αισθητήρα και στο σχήμα Β25 η γραφική απεικόνιση του COP ανά περίπτωση. Βάθος και τύπος κάλυψης 1,0F 1,5F 2,0F 1,0BG 1,5BG 2,0BG 1,0PE 1,5PE 2,0PE T2 T3 T4 H2 H3 H4 COP 13, , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, , , ,7 206,8 3, Πίνακας Β24 Μέσος όρος θερμοκρασιών ανά αισθητήρα και αντίστοιχος COP για τους χειμερινούς μήνες (πραγματική περίοδος θέρμανσης). Σχήμα Β25 Γραφική παράσταση COP υπό διαφορετικές καλύψεις και διαφορετικά βάθη για τους χειμερινούς μήνες (πραγματική περίοδος θέρμανσης) 172

202 3.Συμπεράσματα 3. Συμπεράσματα 3.1 Συμπεράσματα επί του σχεδιασμού του συστήματος Όσον αφορά το σχεδιασμό του συστήματος γίνεται αντιληπτό ότι ένα τέτοιο σύστημα είναι δυνατόν να καλύψει τις θερμικές ανάγκες ενός θερμοκηπίου. Ο σχεδιασμός βασίστηκε κυρίως σε μεθόδους που χρησιμοποιούνται στις εγκαταστάσεις τέτοιων συστημάτων σε εμπορικά και όχι ερευνητικά συστήματα. Ως επακόλουθο γίνανε κάποιες παραδοχές που ενδεχομένως ερευνητικά να μην είναι απόλυτα σωστές όπως για παράδειγμα η επιλογή των θερμικών ιδιοτήτων από πίνακες και όχι η ακριβή μέτρηση τους. Επίσης δεν έγινε λεπτομερής υπολογισμός της διατομής της σωλήνωσης καθώς υπάρχουν τυποποιημένες σωληνώσεις και συνήθως χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα μεγέθη. Η επιλογή της διατομής έγινε με βάση την απαιτούμενη παροχή που είναι σχετικά μικρή. Το σύστημα ενδεχομένως να παρουσιάσει ελαφρώς χαμηλότερη απόδοση από την αναμενόμενη καθώς η έλλειψη διαθέσιμου χώρου δεν επέτρεψε την σχετικά απομακρυσμένη τοποθέτηση των κυκλωμάτων. Υπάρχει δηλαδή η περίπτωση να υπάρχει θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ των κυκλωμάτων και ουσιαστικά επικάλυψη του ενός από το άλλο. Σε γενικές γραμμές σε περιπτώσεις μεγαλύτερων συστημάτων απαιτείται μεγάλη επιφάνεια ώστε να τοποθετηθεί οριζόντιος γεωεναλλάκτης- σε τέτοιες περιπτώσεις θεωρείται καλύτερη λύση η κατακόρυφη τοποθέτηση. Ο συμπληρωματικός εξοπλισμός δεν επιβαρύνει το σύστημα ενεργειακά καθώς είναι μικρής δυναμικότητας. Σε περίπτωση που το σύστημα προοριζότανε τόσο για θέρμανση όσο και για δροσισμό το σύστημα διανομής θα έπρεπε να σχεδιαστεί ικανοποιώντας και τις δύο λειτουργίες. Το κύριο μέσο διανομής στην περίπτωση αυτή είναι ο αέρας ενώ απαιτείται και κάποιος μηχανισμός ρύθμισης της υγρασίας και στις δύο λειτουργίες. Η επιλογή ως υποτιθέμενου συστήματος διανομής ένα σύστημα με μέσο το νερό (ενδοδαπέδιο ή υποδαπέδιο) προτείνεται ουσιαστικά για να γίνει και σύγκριση με τα άλλα συστήματα θέρμανσης των επόμενων ενοτήτων στην ίδια βάση. Εν κατακλείδι αυτό που προκύπτει είναι ότι ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας μπορεί να καλύψει με τις σχεδιαστικές και κατασκευαστικές προδιαγραφές του εξ ολοκλήρου τις θερμικές ανάγκες ενός θερμοκηπίου μικρομεσαίας κλίμακας. Οι όποιες παραδοχές επί της σχεδίασης του συστήματος είναι στα επίπεδα που γίνονται στον σχεδιασμό εμπορικών συστημάτων. Για συστήματα μεγαλύτερης κλίμακας τα οριζόντια συστήματα δεν είναι ενδεδειγμένα λόγω της μεγάλης επιφάνειας που απαιτούν, ενώ κατά περιπτώσεις μπορεί να είναι σκόπιμη και η λειτουργία υποστηρικτικού συστήματος (υβριδική λύση). 173

203 3.Συμπεράσματα 3.2 Συμπεράσματα επί της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Η μείωση των εκπομπών CO 2, αποτελεί ένα σημαντικό ζήτημα και στόχο αρκετών κρατών τα επόμενα χρόνια. Η χρήση ΑΠΕ για διάφορες εφαρμογές όπως και για τη θέρμανση είναι ένας από τους παράγοντες που μπορεί να συμβάλλουν προς την κατεύθυνση αυτή. Όπως φαίνεται στον πίνακα η εκπομπή CO 2 από την ηλεκτροπαραγωγή είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνες που αφορούν την καύση συμβατικών καυσίμων και βιομάζας. Με το σύστημα που προτείνεται παρ όλα αυτά επιτυγχάνεται μεγάλη εξοικονόμηση καταναλισκόμενης ενέργειας σε σχέση με τα υπόλοιπα και έτσι ισοσταθμίζεται αυτή η ανισορροπία. Η εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται σε σχέση με συστήματα πετρελαίου ή αερίου αγγίζει ποσοστά ύψους 40%-70%. Το σύστημα καύσης βιομάζας παρουσιάζει την καλύτερη συμπεριφορά όσον αφορά την εκπομπή CO 2. Εδώ αξίζει να επισημανθεί ότι η ποσότητα CO 2 /kwe εξαρτάται από το ενεργειακό μίγμα ηλεκτροπαραγωγής και είναι μία ποσότητα που μπορεί να μεταβληθεί με το χρόνο. Το πιθανότερο είναι τα επόμενα χρόνια να βελτιωθεί η αναλογία (περιορισμός ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα και αύξηση της συμμετοχής των ΑΠΕ στη διαδικασία). Αυτό θα έχει ως επακόλουθο μείωση της ποσότητας των εκπεμπόμενων ρύπων από ηλεκτροπαραγωγή και ενδεχομένως καλύτερη συμπεριφορά από το σύστημα βιομάζας που παρατηρείται σχεδόν ταυτόσημη ποσότητα. Ήδη σε χώρες που το ενεργειακό μίγμα είναι διαφορετικό με συμμετοχή των ΑΠΕ ή και της πυρηνικής ενέργειας σε μεγάλο βαθμό οι εκπομπές CO 2,είναι χαμηλότερες και το σύστημα είναι δυνατό να παρουσιάσει την καλύτερη δυνατή περιβαλλοντική συμπεριφορά. Ένας ακόμα παράγοντας που πρέπει να συνυπολογιστεί όσον αφορά την υπεροχή του συστήματος έναντι των άλλων είναι η σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας που παρέχει εξαιτίας του υψηλού βαθμού απόδοσης (COP). Τέλος το επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι το 80% της ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμη πηγή (έδαφος) και αυτό αποτελεί σημαντική διαπίστωση. Βέβαια θα πρέπει να γίνει προσεχτική διαχείριση της θερμοπηγής "έδαφος" με εξισορροπημένη απόρριψη και απορρόφηση θερμότητας. Τόσο το πετρέλαιο όσο και το αέριο δεν είναι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά και τα pellet κατά περιπτώσεις δε μπορεί να θεωρηθούν ανανεώσιμη πηγή (αν δεν κατασκευάζονται από ενεργειακά φυτά αλλά από ξύλο). Μία επιλογή που θα οδηγούσε σε μηδενική εκπομπή CO 2, θα ήταν η ηλεκτροδότηση της αντλίας με κάποια μορφή ΑΠΕ (φωτοβολταϊκά ή αιολοικά συστήματα). Το σύστημα αβαθούς γεωθερμίας μπορεί να συμβάλλει στην προστασία του περιβάλλοντος σε πολλαπλά επίπεδα (εκπομπή ρύπων, εξοικονόμηση ενέργειας, ανανεώσιμη πηγή ενέργειας). Αποτελεί καλύτερη λύση από τη χρήση συστημάτων που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα αλλά και στην περίπτωση της βιομάζας υπερτερεί σε κάποια σημεία και υπό περιπτώσεις σχεδόν σε όλα. 174

204 3.Συμπεράσματα 3.3 Συμπεράσματα επί της οικονομικής μελέτης Η μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας που εξασφαλίζει το σύστημα αβαθούς γεωθερμίας έχει σημαντικό αντίκτυπο και στις δαπάνες ενέργειας. Αν και στον πίνακα φαίνεται η μεγάλη αρχική δαπάνη σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα η σημαντική διαφορά στην κατανάλωση περιορίζει τα λειτουργικά έξοδα. Στην περίπτωση των συστημάτων με πετρέλαιο η περίπτωση της αντικατάστασης κρίνεται συμφέρουσα καθώς ο χρόνος αποπληρωμής δεν ξεπερνά τα 3-4 χρόνια. Στο φυσικό αέριο είναι οριακά ασύμφορη η αντικατάσταση καθώς η απόσβεση υπερβαίνει τα 5 έτη.στην περίπτωση των pellet η απόσβεση γίνεται σε χρονική περίοδο κοντά στα 10 έτη και η αντικατάσταση δε φαίνεται να είναι σκόπιμη λόγω της χαμηλής τιμής του καυσίμου. Στην περίπτωση της σύγκρισης των συστημάτων όταν αυτά εγκαθίστανται από την αρχή το σύστημα της αβαθούς γεωθερμίας είναι εκείνο που αποδίδει μεγαλύτερα κέρδη σε βάθος πενταετίας από εκείνα των ορυκτών καυσίμων αλλά υπολείπεται των συστημάτων βιομάζας. Στις μελέτες δε λήφθηκε υπ όψιν πόσο επηρεάζει το σύστημα την καλλιέργεια- ένας παράγοντας που ενδεχομένως να επηρεάσει το αποτέλεσμα. Κάποιες παράμετροι που επίσης πρέπει να εξεταστούν είναι η σταθερότητα που παρουσιάζουν οι τιμές των καυσίμων καθώς και της ηλεκτρικής ενέργειας καθώς είναι φυσικό το αποτέλεσμα να μεταβάλλεται αν υπάρχει κάποια ανισορροπία στους συσχετισμούς που αναπτύχθηκαν. Στην παρούσα φάση η τιμή των pellets είναι αρκετά χαμηλή με αυξητικές τάσεις όπως άλλωστε και των ορυκτών καυσίμων. Παράλληλα και η τιμή της ηλεκτρικής παρουσιάζει αυξητικές τάσεις. Σε κάθε περίπτωση αυτό που καθιστά το σύστημα της αβαθούς γεωθερμίας αρκετά οικονομικό είναι η σαφής εξοικονόμηση ενέργεια. Σε πιο εκτεταμένη έρευνα θα μπορούσε να εξετασθεί και το κόστος από τις εκπομπές ρύπων που επιφορτίζεται το κάθε σύστημα. Σ αυτή την περίπτωση το κέρδος από ένα τέτοιο σύστημα αυξάνει ακόμα περισσότερο. Μία περίπτωση που θα οδηγούσε σε μηδενικά λειτουργικά έξοδα με αύξηση όμως της αρχικής δαπάνης είναι η ηλεκτροδότηση της αντλίας θερμότητας από συστοιχία φωτοβολταϊκών πλαισίων ισχύος τέτοιας που να καλύπτει τις ανάγκες του συμπιεστή. Σ αυτή την περίπτωση η εξοικονόμηση θα ήταν ακόμα μεγαλύτερη. Άλλος παράγοντας που δεν συνυπολογίστηκε στα λειτουργικά έξοδα και σίγουρα ενισχύει την επιλογή του προτεινόμενου συστήματος είναι τα έξοδα συντήρησης. Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας απαιτούν μηδενική συντήρηση σε σχέση με τα υπόλοιπα που εξετάστηκαν. Αυτό που μπορεί να εξαχθεί ως συμπέρασμα είναι η υπεροχή του συστήματος αβαθούς γεωθερμίας σε σχέση με τα υπόλοιπα από την οπτική της οικονομικής αποδοδτικότητας, λόγω των περιορισμένων λειτουργικών δαπανών. Μειονέκτημα αποτελεί η αρχική επένδυση που σε μεγαλύτερης κλίμακας μονάδες ενδεχομένως να καταστεί απαγορευτική. 175

205 3.Συμπεράσματα 3.4 Συμπεράσματα επί της συμπεριφοράς του εδάφους υπό διαφορετική κάλυψη Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας αντλούν ένα μεγάλο κομμάτι της θερμικής ενέργειας από κάποια θερμοπηγή. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο όσο μεγαλύτερη είναι το θερμοκρασιακό επίπεδο της θερμοπηγής τόσο μικρότερη ενέργεια δαπανάται για να φτάσει τα επιθυμητά επίπεδα το ψυκτικό μέσο. Επίσης πολλές φορές μπορεί να υπάρχει σύστημα εναλλαγής της πηγής κατά διαστήματα με κάποια άλλη η οποία εμφανίζει καλύτερα χαρακτηριστικά (π.χ ηλιακή ενέργεια σε μία ηλιόλουστη μέρα το χειμώνα). Το θερμοκήπιο αποτελεί έναν ηλιακό συλλέκτη και μάλιστα δημιουργεί μικροκλίμα στο εσωτερικό του. Όπως αποδείχθηκε από τις πειραματικές μετρήσεις η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος επηρεάζει τη θερμοκρασία του εδάφους σε μικρά βάθη. Αυτό οδηγεί σε αύξηση του COP (πίνακας Β24 και σχήμα Β25)με οφέλη τόσο οικονομικά όσο και περιβαλλοντικά ενώ εξασφαλίζει επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας. Το μονωτικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε οδηγεί σε καλύτερες τιμές COP από το γυμνό έδαφος αλλά χειρότερες από τη θερμοκηπιακή κατασκευή. Επίσης επιβεβαιώνεται η υπόθεση που θέλει τη θερμοκρασία να παρουσιάζει σε μεγαλύτερα βάθη μεγαλύτερες και πιο σταθερές τιμές καθώς επηρεάζεται λιγότερο από την εξωτερική θερμοκρασία και φυσικά έχει μεγαλύτερη αδράνεια. Το γενικό συμπέρασμα είναι ότι μια θερμοκηπιακή κατασκευή οδηγεί σε αύξηση του COP του συστήματος θέρμανσης με αβαθή γεωθερμία. Αν ο σχεδιασμός του συστήματος θέρμανσης προηγηθεί της κατασκευής μπορεί ο γεωεναλλάκτης να τοποθετηθεί στο έδαφος κάτω από το θερμοκήπιο. Κατ αυτό τον τρόπο δε θα δεσμευθεί έδαφος και μακροπρόθεσμα θα ισορροπήσει το έδαφος σε θερμοκρασίες αντίστοιχες με αυτές που επηρεάζει το μικροκλίμα του θερμοκηπίου και είναι σαφώς μεγαλύτερες από εκείνες του κλίματος της περιοχής που εντοπίζεται. Στο συγκεκριμένο πείραμα μεσολάβησε κάποιος καιρός μέχρι το έδαφος να ισορροπήσει θερμοκρασιακά μετά την εκσκαφή. Αυτό είναι εμφανές στα γραφήματα που απεικονίζουν την εξέλιξη των θερμοκρασιών από την τοποθέτηση μέχρι και 2 μήνες αργότερα. Η τοποθέτηση καλυμμάτων οδήγησε σε αύξηση του COP στην περίπτωση του μονωτικού κατά 0,0044% σε βάθος 2m, αντίστοιχα η αύξηση στην περίπτωση της θερμοκηπιακής κατασκευής είναι της τάξης του 0,02%. Αυτό μεταφράζεται σε αντίστοιχη μείωση των ρύπων και εξοικονόμηση σε λειτουργική δαπάνη. Αν και οι αριθμοί φαίνονται μικρoί πραγματοποιείται βελτίωση του βαθμού απόδοσης παθητικά και αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό. Αντίστοιχη αύξηση του COP εμφανίζεται σε όλα τα βάθη υπό διαφορετική κάλυψη αλλά και σε μεγαλύτερα βάθη υπό την ίδια κάλυψη (Σχήματα Β23,Β25). Η αρχική προσέγγιση του COP για όλους τους μήνες δεν είναι απόλυτα σωστή, καθώς λαμβάνει υπ όψιν τον Σεπτέμβριο που είναι κατ αρχήν μήνας θέρμανσης και κατά δεύτερον το γυμνό έδαφος επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις εξωτερικές θερμοκρασιακές συνθήκες. Έτσι εμφανίζει υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας σε μία περίοδο που δεν αξιοποιείται για θέρμανση. Στον πίνακα Β24 και στο σχήμα Β25 176

206 3.Συμπεράσματα γίνεται η αποτύπωση των μεγεθών τους τρεις μήνες που απαιτείται θέρμανση και τα δεδομένα είναι πιο αξιοποιήσιμα. Στην περίπτωση αυτή στα 2,0m σημειώνεται αύξηση του COP στην περίπτωση του μονωτικού πάλι περίπου 0,005%, ενώ στη θερμοκηπιακή κατασκευή 0,024%. Εδώ φαίνεται η επιρροή των φθινοπωρινών μηνών στην αρχική εκτίμηση. Κατά τη χειμερινή περίοδο παρουσιάζεται επιπλέον βελτίωση του συστήματος με τις καλύψεις του εδάφους. Συνολικά η επιλογή της θερμοκηπιακής κατασκευής σημειώνει τα καλύτερα αποτελέσματα. Επιπρόσθετα η χρήση της πολυστερίνης ως κάλυμμα δεν είναι εύχρηστη καθώς είναι δύσκολο να καλυφθούν τόσο μεγάλες επιφάνειες από το συγκεκριμένο υλικό και ταυτόχρονα η φθορά του με την πάροδο του χρόνου θα πρέπει να θεωρείται δεδομένη. Με την πειραματική διαδικασία αποδείχθηκε ότι είναι εφικτή η ενίσχυση των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους με τη χρήση κατάλληλου καλύμματος και μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση του ίδιου του θερμοκηπίου καλύπτοντας ταυτόχρονα τις ανάγκες του. Τα κέρδη είναι περιβαλλοντικά, ενεργειακά και οικονομικά. 3.5 Αντικείμενα για περαιτέρω έρευνα Το σύστημα που εξετάσθηκε καλύπτει τις θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου και καταφέρνει να συνεισφέρει στην αύξηση της απόδοσης του συστήματος αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια. Ταυτόχρονα αποτελεί μία λύση φιλική προς το περιβάλλον, ωφέλιμη οικονομικά και ενεργειακά αποδοτική. Παρ όλα αυτά υπάρχουν ερευνητικές προτάσεις που μπορούν να ενισχύσουν την εκτενέστερη μελέτη του. Η διερεύνηση της δυνατότητας δροσισμού του θερμοκηπίου- πόσο μπορεί να επεκταθεί η καλλιεργητική περίοδος και πως μπορεί να επιλυθεί το ζήτημα της υγρασίας. Η δυνατότητα δροσισμού υφίσταται και αυτό θα αποτελούσε ακόμα μεγαλύτερο πλεονέκτημα για το σύστημα καθώς η λειτουργία γίνεται με το ίδιο σύστημα που πραγματοποιείται η θέρμανση, επέκταση της καλλιεργητικής περιόδου συνεπάγεται με αύξηση των εσόδων ενώ η αντιστραμμένη λειτουργία συντελεί στη διατήρηση ισορροπίας των συνθηκών στο έδαφος. Η εξέταση ενός συστήματος που θα αξιοποιούσε άμεσα την ηλιακή ακτινοβολία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και θα την οδηγούσε στο βάθος τοποθέτησης του γεωεναλλάκτη ενισχύοντας ακόμα περισσότερο το θερμοκρασιακό επίπεδο του εδάφους. 177

207 3.Συμπεράσματα Ανάπτυξη λεπτομερέστερης οικονομικής μελέτης που θα λαμβάνει υπ όψιν περισσότερους παράγοντες για την εξαγωγή ασφαλέστερων αποτελεσμάτων και σε βάθος χρόνου μεγαλύτερο των 5 ετών. Ανάπτυξη λεπτομερέστερης περιβαλλοντικής μελέτης εξετάζοντας εκτός των εκπομπών CO 2 και άλλες παραμέτρους του περιβαλλοντικού προβλήματος (λοιποί ρύποι, ενεργειακά αποθέματα και ανάλυση κύκλου ζωής), ώστε να είναι πιο ξεκάθαρη η διαφοροποίηση των συστημάτων. Η ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου που θα προσομοιώνει τη μετάδοση θερμότητας από το έδαφος προς το σωλήνα υπό τη θερμοκηπιακή κάλυψη λαμβάνοντας υπ όψιν την διαφοροποιημένη δυναμική της θερμοκρασιακής κατανομής του εδάφους εξαιτίας του αναπτυσσόμενου μικροκλίματος. 178

208 Παράρτημα Παράρτημα Α. Υπολογισμός γεωμετρικών χαρακτηριστικών θερμοκηπίου Α.1 Υπολογισμός επιφάνειας Για τον υπολογισμό χρήσιμων μεγεθών που αφορούν την ενεργειακή σχεδίαση ενός θερμοκηπίου απαιτούνται η γνώση της επιφάνειας που καταλαμβάνει, της επιφάνειας του υλικού κάλυψης όπως και τον όγκο του αέρα που καταλαμβάνει το εσωτερικό της κατασκευής. Για την επιφάνεια που καταλαμβάνει ο υπολογισμός είναι αρκετά απλός καθώς η κάτοψη του είναι ένα ορθογώνιο και μπορεί να υπολογιστεί εύκολα αν πολλαπλασιαστεί το μήκος με το πλάτος της κατασκευής. Για τον υπολογισμό της επιφάνειας του υλικού κάλυψης θα πρέπει να εξεταστεί ο τύπος της θερμοκηπιακής κατασκευής. Το εξεταζόμενο θερμοκήπιο είναι τοξωτό. Αποτελείται από 4 πλευρικές ορθογωνικές επιφάνειες και η οροφή του ουσιαστικά είναι ένας τύπος ημικυλινδρικής επιφάνεια, με τη διαφορά ότι η βάση της είναι έλλειψη και όχι κύκλος (Σχήματα Π1,Π2). Πρακτικά πρέπει να υπολογιστούν οι πλευρικές επιφάνειες (εξισώσεις 38,39), το εμβαδό μίας έλλειψης και το εμβαδό μίας ορθογωνικής επιφάνειας με μήκος ίσο με το μήκος του θερμοκηπίου και πλάτος την ημιπερίμετρο της έλλειψης (Σχήμα Π2). 1 L * h (38) ή ί ή 2 B * h (39) ή ί ή Α1 πλευρική : Επιφάνεια πλευρικής επιφάνειας κατά μήκος του θερμοκηπίου (m 2 ) Α2 πλευρική : Επιφάνεια πλευρικής επιφάνειας κατά πλάτος του θερμοκηπίου (m 2 ) L θερμοκηπίου : Μήκος θερμοκηπίου (m) h υδροροής : Ύψος υδρορροής (m) Β θερμοκηπίου : Πλάτος θερμοκηπίου (m) 179

209 Παράρτημα Σχήμα Π1 Όψη θερμοκηπίου και κατασκευαστικές λεπτομέρειες Σχήμα Π2 Ανάπτυγμα σκεπάστρου σε στοιχειώδεις επιφάνειες Ο τύπος της περιμέτρου της έλλειψης μπορεί να δοθεί προσεγγιστικά από τη σχέση

210 Παράρτημα 3 P *( a b ) a * b 2 (40) Ο τύπος του εμβαδού της έλλειψης φαίνεται στην εξίσωση 41 a* b* (41) Όπου a,b είναι οι ημιάξονες όπως απεικονίζονται στο σχήμα Π3 και οι τιμές τους είναι a= 3,5m (Το μισό του πλάτους του θερμοκηπίου) b=1,5m (Η διαφορά του ύψους του κορφιά με το ύψος της υδρορροής) Σχήμα Π3Απεικόνιση έλλειψης και ορισμός ημιαξόνων Ο υπολογισμός των σχετικών επιφανειών φαίνεται στον πίνακα Π1. Είδος επιφάνειας Εμβαδόν σε m 2 Πλήθος Συνολικό εμβαδόν σε m 2 Πλευρικές επιφάνειες κατά μήκος του θερμοκηπίου Πλευρικές επιφάνειες κατά πλάτος του θερμοκηπίου ,7 2 29,4 Ελλειπτικές επιφάνειες 8, ,5 Ανάπτυγμα επιφάνειας ημικυλινδρικής 81,7 1 81,7 Συνολική επιφάνεια 167 Πίνακας Π1 Υπολογισμός συνολικής επιφάνειας υλικού κάλυψης 181

211 Παράρτημα Α2.Υπολογισμός όγκου Για τον υπολογισμό του όγκου που καταλαμβάνει ο αέρας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου υπολογίζεται ο όγκος ενός ορθογώνιου παραλληλεπίπεδου και ο μισός όγκος κυλίνδρου με ελλειπτική επιφάνεια βάσης (Σχήμα Π4,πινακας Π2). Τα μεγέθη που απαιτούνται στους υπολογισμούς έχουν προσδιοριστεί στο προηγούμενο κεφάλαιο του παραρτήματος και οι σχετικοί τύποι υπολογισμού αναγράφονται παρακάτω (εξισώσεις 42,43). V V 2 * L (42) ή ί 2 * L ί (43) V παρ : Ο όγκος του παραλληλεπίπεδου κομματιού V σκεπ : Ο όγκος του ημικυλινδρικού κομματιού. Σχήμα Π4 Χωρισμός θερμοκηπίου σε γεωμετρικούς όγκους 182

212 Παράρτημα Δομικό στοιχείο Όγκος (m 3 ) Ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο 147 Ημικυλινδρικό κομμάτι 82,5 Πίνακας Π2 Υπολογισμός όγκου θερμοκηπίου Σύνολο 229,5 Τα μεγέθη που υπολογίστηκαν στο κεφάλαιο αυτό του παραρτήματος είναι απαραίτητα για τον υπολογισμό του συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας αλλά και του υπολογισμού των απαιτήσεων θέρμανσης. Η μεθοδολογία καθορισμού του συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας σε μία κατασκευή περιγράφεται στο κεφάλαιο Β του παραρτήματος. Β. Μεθοδολογία προσδιορισμού συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας κατασκευής Η διαδικασία που ακολουθείται περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα. Από σχετικούς πίνακες λαμβάνεται ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ για κάθε δομικό στοιχείο Από τα κατασκευαστικά σχέδια και την τεχνική περιγραφή του κτιρίου είναι δυνατός ο υπολογισμός του πάχους d κάθε δομικού υλικού που συναντάμε σε κάθε δομικό στοιχείο. Πλέον μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αντίσταση κάθε υλικού που αποτελεί τμήμα του ζητούμενου δομικού στοιχείου-(εξίσωση 44). d R (m 2 K/W) (44) Στη συνέχεια υπολογίζεται η συνολική θερμική αντίσταση του δομικού στοιχείου που προκύπτει από την πρόσθεση των επιμέρους θερμικών αντιστάσεων του κάθε υλικού Ο συντελεστής θερμοπερατότητας (Α)προκύπτει απ την αντιστροφή της τιμής της συνολικής θερμικής αντίστασης και έχει μονάδες (W/ m 2 K) 183

213 Παράρτημα Για την εύρεση του συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας (Αcond) του κτιρίου πολλαπλασιάζεται ο συντελεστής θερμοπερατότητας του κάθε δομικού στοιχείου με την επιφάνεια που αυτό καταλαμβάνει και προστίθενται μεταξύ τους. Για πιο χρήσιμα συμπεράσματα η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας καλό είναι να αναχθεί στη μονάδα επιφάνειας. Στη συνέχεια υπολογίζεται ο συντελεστής θερμοπερατότητας που αφορά τον αερισμό του χώρου (Αvend) και δίδεται απ τη σχέση 45 : Αvend=p*N*V*cp (45) Ο συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας προκύπτει ως άθροισμα των παραπάνω (Παπακώστας:2004) Στην περίπτωση των θερμοκηπίων που χρησιμοποιούνται υλικά συγκεκριμένου πάχους οι τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας είναι δυνατόν να ληφθούν απευθείας από σχετικούς πίνακες χωρίς τη χρήση των 4 πρώτων βημάτων. Ο υπολογισμός συνολικής τιμής συντελεστή θερμοπερατότητας δεν είναι απαραίτητη. Υπάρχει η δυνατότητα ξεχωριστού υπολογισμού των απωλειών λόγω αερισμού. Γ. Παρουσίαση τεχνικών χαρακτηριστικών και στοιχεία κόστους αντλίας θερμότητας. Παρακάτω παρουσιάζονται τα γενικά τεχνικά χαρακτηριστικά της αντλίας θερμότητας που υποθετικά θα χρησιμοποιηθεί για το σύστημα που σχεδιάστηκε. Το μοντέλο προτάθηκε από τεχνική εταιρία με γνώμονα και το κόστος. Το μοντέλο που επιλέχθηκε είναι το Αξίζει να σημειωθεί ότι εξαιτίας της γειτνίασης με θερμοκήπιο ενδεχομένως οι απώλειες να είναι χαμηλότερες από τις υπολογισμένες στην πράξη και έτσι να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και μικρότερο μοντέλο όπως το Επιλέχθηκε το ώστε να είναι εξασφαλισμένη η κάλυψη των αναγκών. Το μοντέλο είναι της εταιρίας Clivet και το κόστος ανέρχεται σε 6000 περίπου συμπεριλαμβανομένων και άλλων εργασιών όπως το σύστημα αυτομάτου ελέγχου. Στο κόστος δε συμπεριλήφθηκε η εγκατάσταση του γεωεναλλάκτη καθώς αυτός είχε ήδη τοποθετηθεί. ( 184

214 Παράρτημα Πίνακας Π3 Τεχνικά χαρακτηριστικά αντλίας θερμότητας (Πηγή: Clivet) 185

215 Παράρτημα Δ. Τεχνικά χαρακτηριστικά κυκλοφορητή. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του επιλεγμένου κυκλοφορητή, όπως δίνονται από τον κατασκευαστή. Πίνακας Π4 Τεχνικά χαρακτηριστικά Wilo Top-S 25/13 (Πηγή :wwwwilo.gr) 186