ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ

Transcript

1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ «Προσομοίωση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών Θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας» ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΑΠΑΟΕΟΔΩΡΟΥ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη διερεύνηση, ανάλυση, αξιολόγηση της λειτουργίας και της απόδοσης υπεδαφικών αποθηκών Θερμικής ενέργειας σε συνδυασμό με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας και εμβαθύνει στη συστηματική μελέτη και ανάλυση καίριων Θεμάτων της λειτουργίας των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών Θερμότητας όπως: Τα μεταβατικά φαινόμενα (transient phenomena) που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία κάθε επιμέρους τμήματος και η ενσωμάτωσή τους σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση του συστήματος για τον προσδιορισμό της επίδρασής τους, τόσο βραχυπρόθεσμα, όσο και μακροπρόθεσμα, στην ενεργειακή του απόδοση. Η «αειφορία» (sustainabίlίty) του συστήματος και η εποχική διακύμανση της απόδοσής του, με στόχο τη βιώσιμη αξιοποίηση του υπεδάφους ως πηγή (θέρμανσηαποφόρτιση) και ως αποθήκη (ψύξηφόρτιση) Θερμότητας.. Η ενεργειακή ανάλυση του συστήματος σε επίπεδο μεταφερόμενης ενέργειας και του αντίστοιχου ρυθμού μεταφοράς σε κάθε επιμέρους τμήμα του, με στόχο τον ακριβή προσδιορισμό του συντελεστή απόδοσης των αντλιών Θερμότητας και της ενεργειακής κατανάλωσης των επιμέρους δομικών του μονάδων και στο σύνολο. Υιοθετεί και αξιοποιεί μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών Θερμότητας, με στόχο την ταυτόχρονη απόδοση της συσχέτισης και της δυναμικής αλληλεπίδρασης του κτιρίου, των συστημάτων διανομής θερμότητας, των αντλιών θερμότητας και της υπεδαφικής αποθήκης, υπό την επίδραση των εξωτερικών κλιματικών συνθηκών και των προτύπων χρήσης του κτιρίου. Χρησιμοποιεί τη δυναμική προσομοίωση (dynamic simulation) ως βασική μεθοδολογία, η οποία παρέχει τη δυνατότητα ολοκληρωμένης προσέγγισης του συνόλου των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα, και των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται σε αυτές, κατά τη λειτουργία των εν λόγω συστημάτων. Η λεπτομερής μοντελοποίηση παρέχει δυνατότητα άντλησης γνώσης, Θεωρητικής ανάλυσης και μαθηματικής αντιμετώπισης σε σειρά επιμέρους και ιδιαίτερων προβλημάτων που συνθέτουν το συνολικό πρόβλημα της λειτουργίας. 'Ενα από τα σημαντικότερα θέματα στη μοντελοποίηση των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών Θερμότητας, αποτελεί η συχνή εναλλαγή της κατάστασης λειτουργίας (παύση/εκκίνηση) των αντλιών θερμότητας και των κυκλοφορητών του συστήματος ως αποτέλεσμα των 1

2 μεταβαλλόμενων θερμικών φορτίων του κτιρίου. Χαρακτηριστικά, σε ένα σύστημα κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών το φαινόμενο εξελίσσεται σε συνθήκες πλήρους ή μηδενικής ροής. Οι προσεγγίσεις σταθερής κατάστασης (steadystate models), είτε αγνοούν τις μεταβατικές αυτές επιδράσεις, είτε χρησιμοποιούν συντελεστές συνόρθωσης στους τελικούς τους υπολογισμούς. Στη φάση του σχεδιασμού, τα συστηματικά σφάλματα που υπεισέρχονται σε μια τέτοια προσέγγιση μπορούν να οδηγήσουν σε εντελώς διαφορετικό σχεδιασμό από εκείνον που θα ακολουθούνταν βάσει δυναμικών μοντέλων προσομοίωσης. Για την ολοκληρωμένη προσέγγιση και ανάλυση των ανωτέρω Θεμάτων χρησιμοποιήθηκε ως βάση το γεωθερμικό σύστημα αντλιών Θερμότητας του κτιρίου Μεταλλειολόγων Ηλεκτρολόγων Β' Φάσης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για τη δημιουργία ενός δυναμικού μοντέλου προσομοίωσης. Το εν λόγω σύστημα αναπτύχθηκε στα πλαίσια του Ευρωπάίκού Προγράμματος THERMIE BU ΗΕ της DG TREN και αξιοποιεί υβριδικά τόσο τη θερμοαποθηκευτική ικανότητα των πετρωμάτων, μέσω ενός κλειστού κυκλώματος κάθετων... γεωθερμικών εναλλακτών, όσο και το θερμικό περιεχόμενο ενός υπόγειου ταμιευτήρα, μέσω ενός ανοικτού κυκλώματος υδρογεωτρήσεων. Το δυναμικό μοντέλο προσομοίωσης, με ειδική και γενικότερη εφαρμογή:. αντιμετωπίζει το γεωθερμικό σύστημα αντλιών θερμότητας ως ένα ενιαίο σύνολο διαρκώς μεταβαλλόμενων αλληλεπιδράσεων μεταξύ κτιρίου, συστήματος αντλιών Θερμότητας και υπεδαφικής πηγήςαποθήκης, επιλύοντας και συνθέτοντας τα επιμέρους Θερμικά προβλήματα σε ένα ολοκληρωμένο, βρογχοειδές και ανατροφοδοτούμενο κύκλωμα ροής πληροφοριών, επιτρέπει την ανάλυση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε κάθε φάση λειτουργίας του συστήματος, τόσο κατά τις μεταβατικές, όσο και κατά τις περιόδους "σταθερής κατάστασης", και την πρόβλεψη των ενεργειακών επιδόσεων του συστήματος τόσο βραχυπρόθεσμα, όσο και μακροπρόθεσμα, εξασφαλίζει τη δυνατότητα της συστηματικής διερεύνησης τόσο της απόδοσης του συστήματος, όσο και της εποχικής διακύμανσής της λόγω της αλληλεπίδρασής του με την υπεδαφική πηγήαποθήκη, το Θερμικό περιεχόμενο της οποίας μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός ετήσιου κύκλου λειτουργίας, και παρέχει τη δυνατότητα αποτύπωσης οριακών καταστάσεων λειτουργίας του συστήματος και την ανάmυξη στρατηγικών ελέγχου ή/και παρέμβασης για τη βελτιστοποίησή του. Αναmύχθηκε το εννοιολογικό μοντέλο του συστήματος και προσδιορίστηκαν οι βασικές διεργασίες, οι κόμβοι συσσώρευσης και οι ροές πληροφορίας μεταξύ των διεργασιών για την εξασφάλιση της αλληλουχίας και του τρόπου αλληλοσύνδεσης μεταξύ των υποσυστημάτων που συγκροτούν το σύνολο της εγκατάστασης. 2

3 Το μοντέλο προσομοίωσης αξιολογήθηκε στη βάση πειραματικών μετρήσεων κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης και μετρήσεων της Θερμικής απόκρισης των κάθετων γεωεναλλακτών (TRT). Επιβεβαιώθηκε η δυνατότητα του μοντέλου προσομοίωσης να αποδίδει ορθά το θερμικό πρόβλημα, τόσο στο πεδίο των κάθετων γεωεναλλακτών, όσο και στο σύνολο του συστήματος. Αναλύθηκαν διεξοδικά τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία του γεωθερμικού συστήματος αντλιών θερμότητας σε ένα πλήρη ετήσιο κύκλο, και η ανάλυση εστιάστηκε στη μεταβατική λειτουργία του συστήματος με κύριες συνιστώσες τα διαρκώς μεταβαλλόμενα Θερμικά φορτία του κτιρίου, το κεντρικό σύστημα Θερμοκρασιακής διαχείρισης στα επιμέρους τμήματα της εγκατάστασης (συχνή εναλλαγή της κατάστασης λειτουργίας (παύση/εκκίνηση) των αντλιών θερμότητας και των κυκλοφορητών του συστήματος) και τα πολύπλοκα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας από και προς την υπεδαφική αποθήκη. Τα αποτελέσματα του μοντέλου αξιολογήθηκαν στη βάση των διακυμάνσεων που προσδιορίστηκαν για κρίσιμες παραμέτρους όπως, o συντελεστής απόδοσης των αντλιών Θερμότητας, η αντίστοιχη κατανάλωση ισχύος, ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας στα επιμέρους κυκλώματα των αντλιών Θερμότητας και στα κυκλώματα του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών και των πλακοειδών εναλλακτών Θερμότητας. Στο σύνολό της, η ανάλυση αυτή κατέδειξε ότι, η προσέγγιση αντίστοιχων συστημάτων, και των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία τους, ως «σταθερής κατάστασης» ενέχει σημαντικούς παράγοντες σφάλματος κατά τη διαστασιολόγησή τους και τον υπολογισμό της συνολικής ενεργειακής τους απόδοσης. H απλή Θεώρηση ενός σταθερού συντελεστή απόδοσης κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος σε κάθε φάση (ψύξη και Θέρμανση), οδηγεί σε εσφαλμένες εκτιμήσεις, τόσο όσον αφορά στην τελική ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος, όσο και στον προσδιορισμό της απόδοσης όλων των επιμέρους τμημάτων του. Η προγνωστική ανάλυση της λειτουργίας του συστήματος επεκτάθηκε στον έλεγχο της μακροπρόθεσμης λειτουργίας του και της ορθολογικής αξιοποίησης της υπεδαφικής πηγήςαποθήκης με κύριες συνιστώσες: Τον προσδιορισμό της Θερμοκρασιακής διακύμανσης της υπεδαφικής αποθήκης σε ετήσιο και πενταετή κύκλο λειτουργίας και την αξιολόγηση της βιωσιμότητας της υπεδαφικής αποθήκευσης θερμότητας τόσο εποχικά όσο και σε βάθος χρόνου. Τη διερεύνηση και αξιολόγηση της επίδρασης της περιοδικής «φόρτισης» και «αποφόρτισης» της υπεδαφικής αποθήκης στην απόδοση των αντλιών θερμότητας του συστήματος. Την ενεργειακή ανάλυση των κύριων δομικών μονάδων του συστήματος, σε επίπεδο μεταφερόμενης ενέργειας, ρυθμού μεταφοράς ενέργειας και συνεισφοράς στην κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του κτιρίου. 3

4 Στα πλαίσια αυτά, αποτυπώθηκε η σταδιακή «φόρτιση» και «αποφόρτιση» του υπεδάφους στην περιοχή του πεδίου των γεωεναλλακτών κατά τη λειτουργία του συστήματος, ενώ διαπιστώθηκε αύξηση της θερμοκρασίας της υπεδαφικής αποθήκης κατά 0.7 oc, στο τέλος ενός πλήρους ετήσιου κύκλου λειτουργίας, λόγω της υψηλής κτιριακής απαίτησης σε ψύξη. Ωστόσο, η περαιτέρω διερεύνηση της διαμόρφωσης της εν λόγω Θερμοκρασίας σε βάθος πενταετίας, κατέδειξε τη σταθεροποίησή της στους 22.4 oc στο τέλος κάθε επόμενου έτους, μετά την παρέλευση της πενταετίας. H αναλυτικότερη διερεύνηση της επίδρασης της Θερμοκρασιακής μεταβολής της υπεδαφικής πηγής στην απόδοση των επιμέρους στοιχείων του συστήματος κατά τη λειτουργία θέρμανσης, ανέδειξε ότι το μέγεθός της, καθορίζεται, τόσο από τη σταδιακή ααποφόρτιση» του υπεδάφους κατά τη λειτουργία του συστήματος, η οποία οδηγεί σε μείωση του συντελεστή απόδοσης της αντλίας Θερμότητας, λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας του υπεδαφικού σχηματισμού στην περιοχή του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών, όσο και από τη «φόρτιση» της υπεδαφικής αποθήκης κατά την ψυκτική λειτουργία του συστήματος, η οποία και διαμορφώνει τις «νέες» δυνατότητες εναλλαγής Θερμότητας με το υπεδαφικό κύκλωμα στις αρχές της δεύτερης περιόδου θέρμανσης. Στη δεύτερη περίπτωση, η αυξημένη θερμοκρασία του υπεδαφικού σχηματισμού οδηγεί σε υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς ενέργειας στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας Θερμότητας, και επίσης αυξημένο συντελεστή απόδοσης κατά τη λειτουργία της. H παραπάνω ανάλυση συνέβαλε σημαντικά στην κατανόηση του μηχανισμού της υπεδαφικής αποθήκευσης Θερμότητας και καθόρισε το ρόλο της μακροπρόθεσμης λειτουργικής βιωσιμότητας ως κύριας παραμέτρου στο σχεδιασμό αντίστοιχων συστημάτων, αναδεικνύοντας ότι στα πλαίσια ενός ορθολογικού σχεδιασμού, πρέπει να εξασφαλίζεται το ισοζύγιο μεταξύ της εποχικής φόρτισης και αποφόρτισης της υπεδαφικής αποθήκης ή τουλάχιστον να περιορίζεται η ετήσια Θερμοκρασιακή μεταβολή της υπεδαφικής αποθήκης σε επίπεδα που δεν επηρεάζουν τη μακρόχρονη βιωσιμότητα του συστήματος. Η διερεύνηση της εφαρμογής και της αποτελεσματικότητας βασικών παρεμβάσεων με στόχο την περαιτέρω εξοικονόμηση ενέργειας και έλεγχο της συμπεριφοράς, της απόδοσης και της συνεισφοράς του πεδίου των γεωεναλλακτών, επικεντρώθηκε στην αντικατάσταση των υφιστάμενων αντλιών Θερμότητας με αντλίες νέας τεχνολογίας υψηλότερου συντελεστή απόδοσης (πρότυπα GROUND HEAT) και στον πλήρη διαχωρισμό των κυκλωμάτων του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών και του ΠΕ1. H συνδυαστική ανάλυση της απόδοσης των δυο συστημάτων που εξετάσθηκαν, κατέδειξε τη δυνατότητα εκσυγχρονισμού και βελτιστοποίησης υφιστάμενων εγκαταστάσεων εξοικονόμησης ενέργειας, είτε μέσω νέων προτύπων αντλιών Θερμότητας που διαμορφώνονται στην παγκόσμια αγορά των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, είτε μέσω της ανάλυσης παθολογιών του αρχικού τους σχεδιασμού, όσον αφορά στη διασύνδεση των 4

5 δομικών τους μονάδων, χρησιμοποιώντας δυναμικά μοντέλα προσομοίωσης για τη ρεαλιστική απόδοση και διερεύνηση της λειτουργικής τους συμπεριφοράς. ~ 5