ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΥΠΟΒΟΗΘΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ KATΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΓΙΣ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΥΠΟΒΟΗΘΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ ΑΝΔΡΟΥΛΑΚΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΑΕΜ: 4841 ΑΡΜΕΝ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΕΜ: 5080 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΠΑΚΩΣΤΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: Δρ. ΜΠΟΖΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2015

2

3 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 5. Υπεύθυνος: Παπακώστας Κωνσταντίνος 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Μπόζης Δημήτριος 7. Τίτλος εργασίας: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΥΠΟΒΟΗΘΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): Ανδρουλάκης Νικόλαος, Άρμεν Κωνσταντίνος 9. Αριθμός μητρώου: 4841, Θεματική περιοχή: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 11. Ημερομηνία έναρξης: 10/ Ημερομηνία παράδοσης: 10/ Αριθμός εργασίας: Περίληψη: Το Φεβρουάριο του 2013 ολοκληρώθηκε η μελέτη για την ενεργειακή αναβάθμιση του κτιρίου και του συστήματος θέρμανσης του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας του Δήμου Αριστοτέλη Χαλκιδικής. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται, με το λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων TRNSYS, η θερμική συμπεριφορά α) του κτιρίου μετά την εφαρμογή των προτεινόμενων επεμβάσεων και β) του υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με ηλιακή υποβοήθηση που προτείνεται να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανσή του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική έρευνα για τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας με υποβοήθηση από ηλιακή διάταξη (Solar Assisted Ground Source Heat Pump System) που έχουν μελετηθεί και εγκατασταθεί σε διάφορες χώρες του κόσμου. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η υπάρχουσα κατάσταση του κτιρίου και του συστήματος θέρμανσης και περιγράφονται οι προτεινόμενες επεμβάσεις για την ενεργειακή αναβάθμισή τους. Στο τέλος του κεφαλαίου αναλύονται τα αναμενόμενα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της μελέτης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το λογισμικό προσομοίωσης TRNSYS με έμφαση στις βασικές λειτουργίες του και στον τρόπο που αναπτύσσονται και εκτελούνται οι προσομοιώσεις της δυναμικής συμπεριφοράς ενεργειακών συστημάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία παραγωγής κλιματικών δεδομένων μέσω του λογισμικού METEONORM. Στη συνέχεια, αναλύονται τα κλιματικά δεδομένα για την περιοχή της Μεγάλης Παναγίας, τα οποία είναι απαραίτητα για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου και του συστήματος θέρμανσής του, και συγκρίνονται με αυτά της Θεσσαλονίκης και του Πολυγύρου. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναλύονται οι ενέργειες που έγιναν για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου. Συγκεκριμένα, στην αρχή του κεφαλαίου περιγράφονται η δομή και το περιβάλλον του μοντέλου προσομοίωσης του κτιρίου και δίνονται τα στοιχεία προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια αφού καθοριστούν τα δεδομένα και οι παραδοχές, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου διερευνάται η περίοδος αναθέρμανσης και παρουσιάζεται η τελική πρόταση για τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Το έκτο κεφάλαιο περιγράφει τις ενέργειες για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης. Παρουσιάζονται τα στοιχεία προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν, με ιδιαίτερη έμφαση στα στοιχεία που αφορούν το γεωεναλλάκτη, την αντλία θερμότητας, τους ηλιακούς συλλέκτες και τις θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου. Επιπρόσθετα, καθορίζονται οι παραδοχές και τα δεδομένα της προσομοίωσης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εναλλακτικών σεναρίων για τη διάταξη του συστήματος θέρμανσης. Στο έβδομο κεφάλαιο αναλύονται τα συμπεράσματα που αφορούν τη θερμική συμπεριφορά του κτιρίου, καθώς και συμπεράσματα που προέρχονται από τη σύγκριση των διάφορων σεναρίων για τη διάταξη του συστήματος θέρμανσης. Τέλος, στο όγδοο και στο ένατο κεφάλαιο παρατίθενται αντίστοιχα οι βιβλιογραφικές αναφορές και τα παραρτήματα από όπου αντλήθηκαν πληροφορίες για τη συγγραφή του κειμένου και τα απαραίτητα δεδομένα για τις προσομοιώσεις της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 225 Αρ. Εικόνων: 118 Αρ. Πινάκων: 80 Αρ. Παραρτημάτων: 9 Αρ. Παραπομπών: Λέξεις κλειδιά: Κτίριο σχολείου Υβριδικό σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας με ηλιακή υποβοήθηση TRNSYS 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: ΕΚΣΔ -i-

4 Ευχαριστίες Ολοκληρώνοντας τη συγγραφή της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα θέλαμε να εκφράσουμε τις ευχαριστίες μας στον Επίκουρο Καθηγητή του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κύριο Παπακώστα Κωνσταντίνο, για την ευκαιρία που μας έδωσε να ασχοληθούμε με το αντικείμενο της θερμικής συμπεριφοράς ενεργειακών συστημάτων και την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μας. Ιδιαίτερα θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον Δρ. Μπόζη Δημήτριο για την καθοδήγησή του και την αμέριστη συνδρομή του για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας, καθώς και για την παραχώρηση του κειμένου και των σχεδίων της μελέτης που αφορούν την ενεργειακή αναβάθμιση του κτιριακού κελύφους και του συστήματος θέρμανσης του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας. Επιπλέον, θέλουμε να ευχαριστήσουμε τον Διπλ. Μηχανολόγο Μηχανικό κ. Κικίδη Παναγιώτη και τον Δρ. Μηχανολόγο Μηχανικό Μαρτινόπουλο Γεώργιο για την παραχώρηση των κλιματικών δεδομένων και την Διπλ. Μηχανολόγο Μηχανικό Βούλγαρη Βασιλική και το διευθυντή του σχολείου κύριο Τρικαλιώτη Ιωάννη που μας έδωσε πρόσβαση στους χώρους του σχολείου, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση του χώρου αλλά και τη λήψη φωτογραφιών. Τέλος, δε θα μπορούσαμε να μην ευχαριστήσουμε τις οικογένειές μας και τους δικούς μας ανθρώπους για τη στήριξη, την υπομονή και την κατανόηση τόσο κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας όσο και καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μας. ΕΚΣΔ -ii-

5 Πρόλογος Πρόλογος Το αίτημα για περιορισμό των εκπομπών αερίων ρύπων στον τομέα των κατασκευών κτιρίων ενεργοποιείται στις τεχνολογίες και τις τεχνικές περιορισμού των απαιτήσεων τους και στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την κάλυψη μέρους των αναγκών τους. Η αβαθής γεωθερμία, μια τεχνική θέρμανσης και κλιματισμού κτιρίων γνωστή από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα αποτελεί μια από τις πιο ελκυστικές επιλογές στις μέρες μας. Στην Ευρώπη και στην Ελλάδα την τελευταία δεκαετία παρατηρείται μια έκρηξη στους ρυθμούς εγκατάστασης τέτοιων συστημάτων. Στις εικόνες 1 και 2 εμφανίζονται, αντίστοιχα, ο αριθμός εγκατεστημένων συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας για τη Γερμανία και ο αριθμός αδειών που ζητήθηκαν από την πρώην Νομαρχία Θεσσαλονίκης. Εικόνα 1 Εγκατεστημένη ισχύς συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας στη Γερμανία [Sanner B, 2011 in Geotrainet Training Manual for Designers]. Εικόνα 2 Άδειες για γεωθερμικά συστήματα στην πρώην Νομαρχία Θεσσαλονίκης [Εσπερίδα ΕΙΔΙΠ: Προοπτικές ανάπτυξης και οφέλη των επιχειρήσεων μέσω εξοικονόμησης ενέργειας. «Εφαρμογές ρηχής γεωθερμίας», Δρ. Μπόζης Δημήτριος]. ΕΚΣΔ -iii-

6 Πρόλογος Στην κατεύθυνση αυτή κινήθηκε η μελέτη για την ενεργειακή αναβάθμιση του κτιριακού κελύφους και του συστήματος θέρμανσης του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας. Με βάση τον άξονα προτεραιότητας «Προστασία Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος και Αστικές Μεταφορές Αντιμετώπιση Κλιματικής Αλλαγής Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας» του επιχειρησιακού προγράμματος «Περιβάλλον και Αειφόρος Ανάπτυξη» του Υπουργείου Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής, έγινε πρόταση και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος αβαθούς γεωθερμίας με ηλιακή υποβοήθηση για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων του σχολείου. Η ηλεκτρομηχανολογική μελέτη ολοκληρώθηκε και παραδόθηκε το Φεβρουάριο του 2013, ενώ η εγκατάσταση του συστήματος αναμένεται να πραγματοποιηθεί σύντομα. Από τη βιβλιογραφική έρευνα προκύπτει ότι η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την υποβοήθηση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας ξεκίνησε τη δεκαετία του 70. Παρόλο που η εγκατάσταση τέτοιων συστημάτων αποτελεί μια συμφέρουσα λύση, ο αριθμός τους ανά τον κόσμο είναι αρκετά μικρός. Μάλιστα, στην Ελλάδα δεν έχει βρεθεί πηγή που να αναφέρεται σε τέτοιο σύστημα. Η περίπτωση του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας θεωρείται πιλοτική για τον ελληνικό χώρο. Εξαιτίας της περίπλοκης θερμικής συμπεριφοράς του σχολικού κτιρίου αλλά και του συστήματος θέρμανσής του η δυναμική συμπεριφορά των δύο ενεργειακών συστημάτων αποτελεί ενδιαφέρον αντικείμενο μελέτης. Κατάλληλη επιλογή για τη διαδικασία αυτή κρίθηκε, στα πλαίσια της εργασίας που ακολουθεί, το λογισμικό προσομοίωσης δυναμικών συστημάτων TRNSYS (Transient SYstem Simulation tool). Τα αποτελέσματα που προκύπτουν με τη χρήση του εργαλείου TRSNYS επιτρέπουν τον έλεγχο και την περαιτέρω ανάλυση των βασικών μεγεθών σχεδιασμού της μελέτης. ΕΚΣΔ -iv-

7 Περιεχόμενα Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Συστήματα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες Συστήματα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες και ηλιακή υποβοήθηση - προτάσεις και μελέτες επί αυτών Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Υπάρχον κτίριο και σύστημα θέρμανσης Η πρόταση για τη βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κελύφους Η πρόταση για το νέο σύστημα θέρμανσης Σύστημα παραγωγής θερμότητας Σύστημα διανομής θερμότητας Σύστημα ηλιακών συλλεκτών Ο γεωεναλλάκτης Δεδομένα και αναμενόμενα αποτελέσματα της αρχικής μελέτης Το περιβάλλον TRNSYS Γενικά Δομή και περιβάλλον του TRNSYS Η προσομοίωση της δυναμικής θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Η προσομοίωση των συστημάτων Κλιματικά δεδομένα και γεωλογικές παράμετροι Η πλατφόρμα METEONORM Κλιματικά δεδομένα της Μεγάλης Παναγίας Θερμοκρασίες αέρα περιβάλλοντος Ηλιακή ακτινοβολία Ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στα πεδία των ηλιακών συλλεκτών Ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου Σχετική υγρασία ατμόσφαιρας Βαθμοημέρες θέρμανσης Γεωλογικές παράμετροι Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Δομή και περιβάλλον προσομοίωσης Τα στοιχεία προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν (Τypes) ΕΚΣΔ -v-

8 Περιεχόμενα 5.3. Παραδοχές και δεδομένα Θερμικές ζώνες Αδιαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου Διαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου Σκίαστρα Αερισμός Πρόγραμμα και ωράριο λειτουργίας Θερμικά κέρδη στο εσωτερικό των ζωνών Άλλες παραδοχές Αποτελέσματα Διακριτοποίηση του μοντέλου Απαιτήσεις κτιρίου για θέρμανση χωρίς πρωινή αναθέρμανση Το πρόβλημα της αναθέρμανσης του κτιρίου Παραγωγή δεδομένων για χρήση από το μοντέλο προσομοίωσης των συστημάτων Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Η φυσική διάταξη του συστήματος Η διάταξη του συστήματος στο TRNSYS Εναλλακτικά σενάρια Βασικές παραδοχές και δεδομένα Το στοιχείο προσομοίωσης της θερμικής συμπεριφοράς του γεωεναλλάκτη (Duct Ground Heat Storage - DST) Το στοιχείο προσομοίωσης της αντλίας θερμότητας (Type 668) Το στοιχείο προσομοίωσης των ηλιακών συλλεκτών (Type 1) Θερμικές απαιτήσεις κτιρίου (θερμικά φορτία) Ανάγνωση δεδομένων από εξωτερικό αρχείο (Type 9) Στοιχείο προσομοίωσης φορτίων (Type 682) Άλλα στοιχεία προσομοίωσης Επεξεργαστής κλιματικών δεδομένων (Type 15-6) Προσομοίωση θερμοκρασίας εδάφους (Type 501) Μονάδα λέβητα-καυστήρα (Type 700) Εναλλάκτης θερμότητας (Type 91) Κυκλοφορητής σταθερών στροφών (Type 740) και μεταβλητών στροφών (Type 741) ΕΚΣΔ -vi-

9 Περιεχόμενα Βαλβίδα ανάμειξης ροών (Type 649) Βαλβίδα διακλάδωσης ροής (Type 647) Σωλήνωση (Type 709) και υπόγεια σωλήνωση (Type 31b) Δοχείο αδρανείας (Type 60) Διαφορικός ελεγκτής θερμοκρασίας (Type 2) Συμπληρωματικά στοιχεία προσομοίωσης Αποτελέσματα Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου χωρίς πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου και γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου και γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης και ηλιακή υποβοήθηση Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Παραρτήματα ΕΚΣΔ -vii-

10

11 Κεφ. 1: Εισαγωγή 1. Εισαγωγή 1.1. Συστήματα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες Η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης και η εκπομπή ακτινοβολίας προς το διάστημα είναι οι βασικοί μηχανισμοί που σχετίζονται με τη σταθερότητα του θερμοκρασιακού πεδίου στο υπέδαφος που παρατηρείται σε κάθε σημείο στη γη [1]. Στην ύπαρξη ακριβώς αυτού του σταθερού θερμοκρασιακού πεδίου στηρίζονται οι εφαρμογές της αβαθούς γεωθερμίας. Ένας ακόμη μηχανισμός, ασθενέστερος στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι αυτός της μεταφοράς θερμότητας από τα βαθύτερα στρώματα της γης προς την επιφάνειά της [1]. Τυπικά θερμοκρασιακά προφίλ για την περιοχή της Μεγάλης Παναγίας στη διάρκεια του έτους σε διάφορα βάθη παρουσιάζονται στις εικόνες 1.1 και 1.2. Η θερμοκρασία στην οποία φαίνεται να συγκλίνουν οι καμπύλες της εικόνας 1.1, κάτω από κανονικές συνθήκες, σε βάθη μεγαλύτερα των 10 m, είναι η μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος. Εικόνα 1.1 Διακύμανση θερμοκρασίας αδιατάρακτου εδάφους στις τέσσερις εποχές σε βάθος μέχρι 25 m. Περιοχή: Μεγάλη Παναγία. Εικόνα 1.2 Θερμοκρασιακά προφίλ κατά τη διάρκεια ενός έτους. Περιοχή: Μεγάλη Παναγία. ΕΚΣΔ -1-

12 Κεφ. 1: Εισαγωγή Στις εφαρμογές, λοιπόν, της αβαθούς γεωθερμίας «εκμεταλλευόμαστε» ακριβώς την περιοχή αυτή του υπεδάφους που παρουσιάζει σταθερότητα στη διακύμανση των θερμοκρασιών ως πηγή θερμότητας ή ως περιοχή για την απόρριψη θερμότητας. Η αβαθής γεωθερμία αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, που είναι διαθέσιμη και εκμεταλλεύσιμη παντού. Η μεταφορά θερμότητας προς/από το υπέδαφος πραγματοποιείται με τη σύζευξη διατάξεων και συσκευών. - Οι διατάξεις είναι δίκτυα σωληνώσεων που αναπτύσσονται μέσα στο υπέδαφος. Μέσα στα δίκτυα κυκλοφορεί νερό ή διάλυμα νερού με αντιπηκτικό υγρό. Η ανταλλαγή θερμότητας πραγματοποιείται μεταξύ του ρευστού και του υπεδάφους. Η περιοχή του εδάφους που ενεργοποιείται θερμικά με αυτό τον τρόπο και η διάταξη των υπεδάφιων σωλήνων ονομάζεται γεωεναλλάκτης. Μέσω του γεωεναλλάκτη είναι δυνατή η απορρόφηση θερμότητας από το υπέδαφος στη διάρκεια του χειμώνα (λειτουργία σε θέρμανση) ή η απόρριψη θερμότητας στο υπέδαφος στη διάρκεια του καλοκαιριού (λειτουργία σε ψύξη). - Οι απαραίτητες συσκευές για τη μετάδοση θερμότητας από τους γεωεναλλάκτες προς το κτίριο είναι αντλίες θερμότητας, που στην περίπτωση αυτή ονομάζονται γεωθερμικές. Το κύκλωμα που δημιουργείται από τη σύζευξη του γεωεναλλάκτη με την αντλία θερμότητας ονομάζεται πρωτεύον. Στην εικόνα 1.3 φαίνεται διαγραμματικά η λειτουργία των συστημάτων αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες, ή συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας, σε θέρμανση και ψύξη [2]. Λειτουργία σε θέρμανση (εικόνα 1.3.α) Το ρευστό που κυκλοφορεί στο πρωτεύον κύκλωμα (5) απορροφά θερμότητα από το υπέδαφος, μέσω του γεωεναλλάκτη (4), και την αποδίδει στο ψυκτικό ρευστό της αντλίας θερμότητας, μέσω του εξατμιστήρα (A). Η μετάδοση θερμότητας (QP) στον εξατμιστήρα οδηγεί σε αύξηση της ενθαλπίας του ψυκτικού ρευστού, με αποτέλεσμα αυτό να εξατμίζεται. Στη συνέχεια, ο συμπιεστής (1) αυξάνει την πίεση του ψυκτικού ρευστού και αυτό οδηγείται στο συμπυκνωτή (Β), όπου ανταλλάσσει θερμότητα με το ρευστό του δευτερεύοντος κυκλώματος (6). Η μετάδοση θερμότητας (QB) στο συμπυκνωτή οδηγεί στη μείωση της ενθαλπίας του ψυκτικού ρευστού και, τελικά, στη συμπύκνωσή του. Το ρευστό του δευτερεύοντος κυκλώματος μεταφέρει την απαιτούμενη θερμότητα για την ικανοποίηση των θερμικών φορτίων του κτιρίου. Το ψυκτικό ρευστό οδηγείται από το συμπυκνωτή στη διάταξη εκτόνωσης (3) και έπειτα στον εξατμιστήρα. Λειτουργία σε ψύξη (εικόνα 1.3.β) Κατά την ψύξη η λειτουργία της αντλίας θερμότητας αντιστρέφεται με ρύθμιση της βαλβίδας εναλλαγής (2) και της διάταξης εκτόνωσης (3). Το ρευστό που κυκλοφορεί στο δευτερεύον κύκλωμα απορροφά θερμότητα από το κτίριο και την αποδίδει στο ψυκτικό ρευστό της ΕΚΣΔ -2-

13 Κεφ. 1: Εισαγωγή αντλίας θερμότητας, μέσω του εξατμιστήρα (Β). Το ρευστό που κυκλοφορεί στο πρωτεύον κύκλωμα απορροφά θερμότητα από το ψυκτικό ρευστό, μέσω του συμπυκνωτή (Α), και την απορρίπτει στο υπέδαφος, μέσω του γεωεναλλάκτη. Εικόνα 1.3 Διαγραμματική λειτουργία αντλίας θερμότητας συζευγμένης με γεωεναλλάκτες σε περίπτωση (α) θέρμανσης και (β) ψύξης [2]. Ανάλογα με τον τύπο του γεωεναλλάκτη (τη μορφή, δηλαδή, που έχει η διάταξη εναλλαγής θερμότητας με το υπέδαφος) τα συστήματα των αντλιών θερμότητας που είναι συζευγμένες με γεωεναλλάκτες διακρίνονται σε ανοικτού και κλειστού βρόχου [3,4]. Στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας ανοικτού βρόχου (εικόνα 1.4) το πρωτεύον κύκλωμα είναι ανοικτό, δηλαδή το νερό του πρωτεύοντος κυκλώματος αντλείται από υπόγειο υδροφόρο στρώμα. Εφαρμόζονται σε περιπτώσεις που υπάρχει διαθέσιμος υπόγειος ΕΚΣΔ -3-

14 Κεφ. 1: Εισαγωγή υδροφόρος ορίζοντας. Το ρευστό αντλείται μέσω κατακόρυφων γεωτρήσεων από ένα σημείο (Α), οδηγείται στην είσοδο της αντλίας θερμότητας και στη συνέχεια απορρίπτεται στον ίδιο, υποχρεωτικά, υδροφόρο ορίζοντα, σε σημείο (Β) κατάντι της ροής σε σχέση με το πρώτο (Α). Εικόνα 1.4 Σύστημα ανοιχτού βρόχου [5]. Στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας κλειστού βρόχου το πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας είναι κλειστό. Οι διατάξεις των γεωεναλλακτών μπορεί να είναι σε κατακόρυφη ή οριζόντια διεύθυνση (εικόνα 1.5). Εικόνα 1.5 Συστήματα κλειστού βρόχου: (α) κατακόρυφη διάταξη, (β) οριζόντια διάταξη [5]. Οι κατακόρυφοι γεωεναλλάκτες κατασκευάζονται με σωλήνες πολυαιθυλενίου που βυθίζονται μέσα σε κατακόρυφες γεωτρήσεις. Σε κάθε γεώτρηση υπάρχει ένα ή περισσότερα ζεύγη σωλήνων σε διάταξη U (εικόνα 1.6) μέσα στους οποίους ρέει το ρευστό του πρωτεύοντος κυκλώματος. Για την καλύτερη «θερμική επαφή» των σωλήνων με τα τοιχώματα της γεώτρησης και, επομένως, με το έδαφος η γεώτρηση «πληρώνεται» με ειδικό ρευστό (grouting) [1, 6]. Στην περίπτωση πολλαπλών γεωτρήσεων οι βρόχοι των σωλήνων δικτυώνονται μεταξύ τους με την κατασκευή ενός οριζόντιου δικτύου. Τύπος βρόχου: διπλό U Εικόνα 1.6 Κατακόρυφος γεωεναλλάκτης μονού και διπλού βρόχου. ΕΚΣΔ -4-

15 Κεφ. 1: Εισαγωγή Οι οριζόντιοι γεωεναλλάκτες αποτελούνται από δίκτυα σωλήνων επίσης πολυαιθυλενίου, που αναπτύσσονται σε ρηχά ορύγματα, βάθους 0,8-2,0 m. Τα δίκτυα των υπεδάφιων σωλήνων έχουν διαφορετικές μορφές που στόχο έχουν να μεγιστοποιήσουν την επιφάνεια επαφής σωλήνων-υπεδάφους (εικόνα 1.7). Κύριο χαρακτηριστικό της οριζόντιας διάταξης είναι η απαίτηση μεγάλης επιφάνειας εδάφους στο οικόπεδο του κτιρίου. Εικόνα 1.7 Διατάξεις οριζόντιων γεωεναλλακτών. Οι κατακόρυφες διατάξεις έχουν επικρατήσει στις εφαρμογές συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας μεγάλης σχετικά ισχύος. Παρά το μεγαλύτερο αρχικό τους κόστος, η λειτουργία των κατακόρυφων συστημάτων είναι αποδοτικότερη σε σχέση με τα οριζόντια [1]. Στα τυπικά γεωθερμικά συστήματα που λειτουργούν μόνο σε κύκλο θέρμανσης υπάρχει μια σταδιακή μείωση της θερμοκρασίας του υπεδάφους λόγω του ότι θερμότητα «αφαιρείται» συνεχώς από αυτό για τη θέρμανση του κτιρίου. Αυτή η μείωση παρατηρείται τόσο σε ετήσια βάση (κατά τη διάρκεια του έτους η μέση θερμοκρασία του υπεδάφους γύρω από το γεωεναλλάκτη μειώνεται) όσο και από έτος σε έτος (σταδιακά από χρόνο σε χρόνο μειώνονται επίσης οι θερμοκρασίες). Στα απλά γεωθερμικά συστήματα αυτού του τύπου η θερμική «αναγέννηση» της περιοχής του υπεδάφους που ενεργοποιείται θερμικά (γεωεναλλάκτης) γίνεται από τις γειτονικές περιοχές με αγωγιμότητα κατά τη διάρκεια, κυρίως, του καλοκαιριού, όπου το σύστημα είναι σε παύση [1, 4], καθώς και από το μηχανισμό απορρόφησης και εκπομπής της ηλιακής ακτινοβολίας από την επιφάνεια του εδάφους. Στα συστήματα που λειτουργούν και σε ψύξη η θερμική αναγέννηση μπορεί να γίνει και λόγω της απόρριψης θερμότητας προς το υπέδαφος. Ένας τρόπος για τη θερμική αναγέννηση του υπεδάφους είναι και αυτός που μπορεί να γίνει με τη λειτουργία ενός θερμικού ενεργητικού ηλιακού συστήματος [1, 7, 8]. Στην περίπτωση αυτή είτε α) η θερμότητα που θα απαιτηθεί από το γεωεναλλάκτη κατά τη λειτουργία σε θέρμανση μειώνεται κατά τα ποσά που το ηλιακό θερμικό σύστημα μπορεί να προσφέρει, είτε β) ηλιακή θερμότητα μεταφέρεται προς το υπέδαφος και συμμετέχει στη θερμική «αναγέννηση» του γεωεναλλάκτη. Τα συστήματα αυτού του τύπου αποκαλούνται συστήματα γεωθερμικών αντλιών θερμότητας με ηλιακή υποβοήθηση (Solar Assisted Ground Source Heat Pump Systems). ΕΚΣΔ -5-

16 Κεφ. 1: Εισαγωγή 1.2. Συστήματα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες και ηλιακή υποβοήθηση - προτάσεις και μελέτες επί αυτών Μία από τις πρώτες δημοσιεύσεις που αναφέρονται στην εγκατάσταση συστήματος αντλίας θερμότητας συζευγμένης με γεωεναλλάκτη και ηλιακή υποβοήθηση έγινε το 1979, στο συνέδριο με τίτλο «On Earth Heat Pump Systems», στο Γκέτεμποργκ της Σουηδίας. Η μελέτη έγινε στη Νέα Υόρκη των Ηνωμένων Πολιτειών και προέβλεπε τη χρήση ηλιακών συλλεκτών για την ανύψωση της θερμοκρασίας του θερμικά ενεργοποιούμενου υπεδάφους. Την ίδια περίοδο (1978/1979) δημοσιεύθηκε μια παρόμοια μελέτη στην Οκλαχόμα των Ηνωμένων Πολιτειών. Στη μελέτη προβλεπόταν πρόσδοση θερμότητας που παραγόταν από ηλιακούς συλλέκτες στο πεδίο των κατακόρυφων γεωτρήσεων. Μετά την εγκατάσταση του συστήματος έγιναν μετρήσεις και διαπιστώθηκε ότι ο βαθμός απόδοσης του συστήματος ήταν ικανοποιητικός. Καμία από τις δύο εργασίες δεν συμπεριελάμβανε οικονομική διερεύνηση [9]. Λόγω των ενθαρρυντικών αποτελεσμάτων των ερευνών, κατά την επόμενη δεκαετία οι μελέτες συνεχίστηκαν. Η έρευνα οργανώθηκε από το διεθνή οργανισμό ενέργειας (International Energy Agency) και διαχωρίστηκε σε τρία προγράμματα: α) ηλιακή θέρμανση και ψύξη, β) αποθήκευση ενέργειας και γ) τεχνολογία αντλιών θερμότητας [9]. Σε συνέδριο που πραγματοποιήθηκε στη Βιέννη (1985) παρουσιάστηκαν συνολικά 8 προτάσεις εγκαταστάσεων αντλιών θερμότητας με γεωεναλλάκτες και ηλιακούς συλλέκτες. Στα συστήματα που προτάθηκαν σε κτίρια κατοικιών η θερμότητα αποθηκευόταν κυρίως σε δοχεία αδρανείας (σε κάποιες εγκαταστάσεις αυτά ήταν θαμμένα στο υπέδαφος) και σε οριζόντιους γεωεναλλάκτες. Η εγκατάσταση κατακόρυφων γεωτρήσεων απορρίφθηκε καθώς τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υπεδάφια ενεργοποιούμενη περιοχή ήταν αρκετά μικρή για να λειτουργήσει αποδοτικά ως αποθήκη θερμότητας. Οι διάφοροι μελετητές συμπέραναν ότι σε συστήματα μικρής ισχύος η εκμετάλλευση κατακόρυφων γεωτρήσεων για την αποθήκευση θερμότητας δεν ήταν βιώσιμη λύση [9]. Σε συνέδριο στη Γερμανία το 1990 δημοσιεύθηκε από το Reuss μελέτη συστήματος αντλίας θερμότητας συζευγμένης με γεωεναλλάκτη και ηλιακή υποβοήθηση για την ικανοποίηση αναγκών θέρμανσης αλλά και αναγκών ζεστού νερού χρήσης. Στην υπεδάφια αποθήκη θερμότητας ήταν εγκατεστημένες 100 κατακόρυφες γεωτρήσεις βάθους 10 m η καθεμία. Η περίοδος αποπληρωμής υπολογίστηκε 13 και 9 έτη, ανάλογα με το κόστος της γεώτρησης [9]. Οι Sanner και Lehmann πρότειναν τη σύζευξη αντλίας θερμότητας με γεωεναλλάκτη και ηλιακή υποβοήθηση για την ικανοποίηση θερμικών αναγκών και αναγκών σε ζεστό νερό χρήσης ενός κτιρίου στη Στουτγάρδη της Γερμανίας. Η εγκατάσταση του συστήματος ΕΚΣΔ -6-

17 Κεφ. 1: Εισαγωγή ολοκληρώθηκε το 1997 [9]. Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος εμφανίζεται στην εικόνα 1.8. Ο γεωεναλλάκτης είναι συνδεδεμένος σε σειρά με την αντλία θερμότητας, δηλαδή το δίκτυο των βρόχων του είναι το πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας. Το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών είναι παράλληλα συνδεδεμένο με την αντλία θερμότητας, έτσι ώστε το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών και το δευτερεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας να τροφοδοτούν δύο δοχεία αδρανείας. Οι ανάγκες των φορτίων καλύπτονται με κυκλοφορία του ρευστού του δικτύου διανομής, το οποίο εναλλάσσει θερμότητα με τα ρευστά των δύο κυκλωμάτων (της αντλίας θερμότητας και των ηλιακών συλλεκτών) μέσα στα δοχεία αδρανείας. Εικόνα 1.8 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος θέρμανσης στη Στουτγάρδη [9]. Τα μεγέθη διαστασιολόγησης του συστήματος είναι τα παρακάτω: - Αριθμός κατακόρυφων γεωτρήσεων : 28 - Βάθος γεωτρήσεων : 100 m η καθεμία - Θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας : 175 kw - Επιφάνεια πεδίου ηλιακών συλλεκτών : 161 m 2 Οι απαιτήσεις του κτιρίου ήταν 550 MWh και καλύπτονταν κατά 75% από την αντλία θερμότητας και κατά 15% από την παραγόμενη θερμότητα των ηλιακών συλλεκτών. Ο μέσος βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας υπολογίστηκε ίσος με 3,8. Οι Ozgener και Hebpasli το 2004 διερεύνησαν πειραματικά ένα εγκατεστημένο σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας με ηλιακή υποβοήθηση που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση θερμοκηπίου σε πόλη της Τουρκίας [10]. Βασικός στόχος σε εφαρμογές θερμοκηπίων είναι να μεγιστοποιηθεί η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, με τη χρήση συστημάτων γεωθερμικών αντλιών με ηλιακή ΕΚΣΔ -7-

18 Κεφ. 1: Εισαγωγή υποβοήθηση λύνονται δύο προβλήματα: 1) η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα και 2) η αποθήκευση της θερμότητας κατά τη διάρκεια της ημέρας και η εκμετάλλευσή της κατά τη διάρκεια της νύχτας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή υπάρχουν τρία κλειστά κυκλώματα: α) το πρωτεύον κύκλωμα, που αποτελείται από τη σύνδεση σε σειρά ενός ηλιακού συλλέκτη με έναν κατακόρυφο γεωεναλλάκτη και πληρούται με διάλυμα αντιπηκτικού ρευστού με νερό, β) το κλειστό κύκλωμα της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας που πληρούται με ψυκτικό ρευστό, και γ) το δευτερεύον κύκλωμα, το οποίο αποτελείται από τη σύνδεση της αντλίας θερμότητας με μια μονάδα ανεμιστήρα-στοιχείου (fan coil) και πληρούται με νερό. Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος φαίνεται στην εικόνα 1.9. Εικόνα 1.9 Λειτουργικό διάγραμμα εγκατάστασης θέρμανσης θερμοκηπίου [10]. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής: - Θερμαινόμενη επιφάνεια : ~50 m 2 - Μήκος γεωεναλλάκτη : 50 m - Επιφάνεια ηλιακού συλλέκτη : 2 m 2 - Θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας : 4 kw σε θερμοκρασίες εισόδου εξατμιστήρα/ συμπυκνωτή 0/45 ο C Μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν κατά τους μήνες Ιανουάριο έως Μάρτιο του 2004, ενώ το σύστημα λειτουργούσε από το Νοέμβριο του Τα μεγέθη που μετρήθηκαν είναι: - Οι παροχές και οι θερμοκρασίες των ρευστών των κλειστών κυκλωμάτων - Η θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος ΕΚΣΔ -8-

19 Κεφ. 1: Εισαγωγή - Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία - Η απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια από την αντλία θερμότητας Τα κυριότερα αποτελέσματα είναι τα εξής: - Μέσος βαθμός απορρόφησης θερμότητας: 57,78 W/m γεώτρησης - Βαθμός συμπεριφοράς αντλίας θερμότητας στο τέλος μιας ημέρας με ήλιο: 3,13 Υπολογίστηκε ότι ο βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας (C.O.P.) κυμαινόταν από 2 έως 3,13, ενώ ο συνολικός βαθμός συμπεριφοράς του συστήματος (S.P.F.) κυμαινόταν από 1,7 έως 2,6. Κατά βάση, οι ανάγκες των θερμικών φορτίων ικανοποιούνταν, δηλαδή, οι συνθήκες μέσα στο θερμοκήπιο ήταν τέτοιες ώστε η ανάπτυξη και η ποιότητα των φυτών να θεωρείται ικανοποιητική. Ωστόσο, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, εκτός των ορίων των συνθηκών σχεδιασμού, παρατηρούνταν σημαντικές απώλειες από το χώρο του θερμοκηπίου. Έτσι, τελικά, προτάθηκε σύζευξη του συστήματος της αντλίας θερμότητας με βοηθητικό σύστημα θέρμανσης (λέβητας), ώστε να μπορούν να ελέγχονται καλύτερα και αποδοτικότερα συνθήκες υψηλών θερμικών φορτίων. To 2006 οι Trillat-Berdal, Souyri και Fraisse παρακολούθησαν και αξιολόγησαν τη λειτουργία ενός συστήματος αντλίας θερμότητας συζευγμένης με γεωεναλλάκτη και ηλιακή υποβοήθηση για τη θέρμανση κατοικίας στη Σαβοΐα της Γαλλίας [11]. Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος απεικονίζεται στην εικόνα Εικόνα 1.10 Λειτουργικό διάγραμμα της εγκατάστασης με τις μετρητικές διατάξεις [11]. ΕΚΣΔ -9-

20 Κεφ. 1: Εισαγωγή Η παραγόμενη θερμότητα από τους ηλιακούς συλλέκτες χρησιμοποιείται αρχικά για να καλύψει τις απαιτήσεις σε ζεστό νερό χρήσης, ενώ η περίσσειά της μεταφέρεται σε δοχείο αδρανείας. Στο δοχείο αυτό συνδέεται και ο γεωεναλλάκτης. Το πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας, λοιπόν, είναι ένας συνδυασμός γεωεναλλάκτη και ηλιακού συστήματος που είναι παράλληλα συνδεδεμένα. Οι βασικές διαστάσεις των διατάξεων και των συσκευών του συστήματος είναι οι εξής: - Επιφάνεια θερμαινόμενων χώρων : 180 m 2 - Επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών : 12 m 2 - Συνολικό μήκος γεώτρησης : 180 m - Θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας για θερμοκρασίες εισόδου στον εξατμιστήρα/συμπυκνωτή 0/40 ο C : 15,8 kw - Χωρητικότητα δοχείου αδρανείας : 500 l Η διάταξη αυτή συμβάλλει στην εξισορρόπηση των φορτίων που δέχεται το πεδίο των γεωτρήσεων. Χαρακτηριστικό του συστήματος αποτελούν επιπλέον οι χαμηλές θερμοκρασίες του κυκλώματος των ηλιακών συλλεκτών, γεγονός που βελτιώνει το βαθμό απόδοσής τους. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις παρατίθενται παρακάτω: - Μέσος ρυθμός απορρόφησης θερμότητας : 40,3 W/m γεώτρησης - Μέσος ρυθμός πρόσδοσης θερμότητας : 39,5 W/m γεώτρησης - Μέση τιμή βαθμού συμπεριφοράς αντλίας θερμότητας : 3,75 Παρατηρήθηκε ότι κατά τη διάρκεια της θερμαντικής περιόδου οι θερμοκρασίες στις γειτονικές περιοχές των κατακόρυφων γεωτρήσεων μειώνονται με άμεση επίπτωση στην απόδοση της αντλίας θερμότητας. Συγκεκριμένα, ο βαθμός συμπεριφοράς μειώθηκε κατά 14% κατά τη διάρκεια της θερμαντικής περιόδου, από τον Οκτώβριο μέχρι τον Απρίλιο. Αντιθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση 10% το Μάιο, λόγω της έντονης ηλιακής ακτινοβολίας αλλά και των χαμηλότερων θερμικών φορτίων. Τέλος, τονίζεται σε αυτή την εργασία η συμβολή της λειτουργίας των κυκλοφορητών στο βαθμό συμπεριφοράς του συστήματος. Οι περιπτώσεις που εξετάζονται είναι δύο: - Συνεχόμενη λειτουργία ενός κυκλοφορητή - Διακοπτόμενη λειτουργία (συγχρόνως με την αντλία θερμότητας) τριών κυκλοφορητών, όπως φαίνεται στην εικόνα Ο βαθμός συμπεριφοράς του συστήματος στην πρώτη περίπτωση ήταν ίσος με 2,6 ενώ στη δεύτερη 3,35. Με αυτό τον τρόπο αναδεικνύεται το μεγάλο πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών, που είναι η μείωση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. ΕΚΣΔ -10-

21 Κεφ. 1: Εισαγωγή Το 2009 οι Eslami-nejad, Langlois, Chapuis, Bernier και Faraj εξέτασαν δύο συστήματα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες και ηλιακή υποβοήθηση, ένα με μία κατακόρυφη γεώτρηση και ένα με πεδίο 25 κατακόρυφων γεωτρήσεων [12]. Και οι δύο εφαρμογές είναι εγκατεστημένες στο Τορόντο του Καναδά. Οι υπολογισμοί έγιναν στο λογισμικό TRNSYS. Γεωεναλλάκτης με μία κατακόρυφη γεώτρηση Στην πρώτη περίπτωση εξετάστηκε η θερμική συμπεριφορά ενός τυπικού κτιρίου κατοικίας και του συστήματος θέρμανσής του. Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος θέρμανσης φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 1.11 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος θέρμανσης [12]. Το χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί το συγκεκριμένο σύστημα από τα δύο προαναφερθέντα [10, 11] είναι η διαμόρφωση του γεωεναλλάκτη, του οποίου κάθε κατακόρυφη γεώτρηση αποτελείται από δύο κλειστά κυκλώματα, δηλαδή είναι γεωεναλλάκτης τύπου διπλού βρόχου. Το ένα κύκλωμα είναι το πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας και το άλλο συνδέεται σε σειρά με το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται: - η αποθήκευση θερμότητας στο υπέδαφος, όταν η αντλία θερμότητας είναι σε παύση, - η μείωση της στιγμιαίας αποφόρτισης του γεωεναλλάκτη, καθώς με αυτή τη διάταξη επιτρέπεται η ταυτόχρονη πρόσδοση και απορρόφηση θερμότητας από αυτόν. Τα θερμικά και τα ψυκτικά φορτία της κατοικίας ικανοποιούνται με χρήση της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας. Για την ικανοποίηση των απαιτήσεων σε ζεστό νερό χρήσης ΕΚΣΔ -11-

22 Κεφ. 1: Εισαγωγή χρησιμοποιείται δοχείο αδρανείας. Η θερμότητα που αποθηκεύεται σε αυτό παράγεται από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών και βοηθητικά με ηλεκτρικό θερμαντήρα. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής: - Συνολικές απαιτήσεις σε θερμικά φορτία : 14,5 MWh - Συνολικές απαιτήσεις σε ψυκτικά φορτία : 1,5 MWh - Συνολικές απαιτήσεις σε ζεστό νερό χρήσης : 4,2 MWh - Ονομαστική θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας : 10,5 kw - Συνολικό μήκος γεώτρησης : 100 m - Επιφάνεια πεδίου ηλιακών συλλεκτών : 5 m 2 Κατά τις προσομοιώσεις παραμετροποιήθηκαν το μέγεθος της επιφάνειας του ηλιακού πεδίου και η διάρκεια πρόσδοσης θερμότητας στο γεωεναλλάκτη (καθ όλη τη διάρκεια του έτους ή μόνο κατά τη θερμαντική περίοδο). Η συγκεκριμένη εργασία στόχευε κυρίως στην καταμέτρηση και την αξιολόγηση της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας από την αντλία θερμότητας και από τον ηλεκτρικό θερμαντήρα του δοχείου αδρανείας. Προέκυψε από τις προσομοιώσεις του συστήματος ότι όταν θερμότητα προσδιδόταν στο γεωεναλλάκτη μόνον κατά τη διάρκεια της θερμαντικής περιόδου η μέση θερμοκρασία εξόδου του ρευστού από το γεωεναλλάκτη μειωνόταν κατά 1 ο C με την πάροδο των ετών (από 4 ο C κατά το πρώτο έτος μειώθηκε στους 3 ο C κατά το εικοστό). Αυτή η μείωση επέφερε αύξηση της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τον ηλεκτρικό θερμαντήρα του δοχείου αδρανείας. Επίσης προκάλεσε αύξηση της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας από την αντλία θερμότητας, σε συνθήκες θέρμανσης, και μείωσή της, σε συνθήκες ψύξης. Διπλασιάζοντας την επιφάνεια του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών η απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια μειώθηκε. Το ενεργειακό κέρδος οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι κατά τους θερινούς μήνες οι απαιτήσεις σε ζεστό νερό χρήσης ικανοποιούνταν κυρίως από την ηλιακή διάταξη. Στην περίπτωση που θερμότητα προσδιδόταν στο γεωεναλλάκτη καθόλη τη διάρκεια του έτους παρατηρήθηκε σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου από το γεωεναλάκτη. Έτσι, παρατηρήθηκε μείωση της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας από την αντλία θερμότητας, σε συνθήκες θέρμανσης, και αύξησή της, σε συνθήκες ψύξης. Τα αποτελέσματα οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι, όταν στο σύστημα θέρμανσης ήταν εγκατεστημένη μία μόνον κατακόρυφη γεώτρηση, η πρόσδοση θερμότητας στο υπέδαφος δε μείωνε σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας. Έτσι, θεωρήθηκε προτιμότερο η παραγόμενη ΕΚΣΔ -12-

23 Κεφ. 1: Εισαγωγή θερμότητα του πεδίου ηλιακών συλλεκτών να χρησιμοποιείται για να ικανοποιούνται οι ανάγκες σε ζεστό νερό χρήσης και όχι για να προσδίδεται στο γεωεναλλάκτη. Γεωναλλάκτης με 25 κατακόρυφες γεωτρήσεις Σε αυτή την περίπτωση εξετάστηκε ένα σύστημα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτη και ηλιακή υποβοήθηση που χρησιμοποιείται για την ικανοποίηση θερμικών και ψυκτικών φορτίων ενός κτιρίου και τριών θερμοκηπίων. Το λειτουργικό διάγραμμα της εγκατάστασης φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 1.12 Λειτουργικό διάγραμμα εγκατάστασης [12]. Στην εικόνα 1.13 απεικονίζεται η διάταξη των κατακόρυφων γεωτρήσεων στο υπέδαφος. Οι εσωτερικές 9 γεωτρήσεις συνδέονται σε σειρά με την αντλία θερμότητας HP-1 και με το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών. Οι εξωτερικές 16 γεωτρήσεις συνδέονται μόνο με τις αντλίες θερμότητας HP-2 και HP-3. Οι εξωτερικές γεωτρήσεις, κατά την περίοδο θέρμανσης, εκμεταλλεύονται έμμεσα την πρόσδοση θερμότητας από τους ηλιακούς συλλέκτες, καθώς η θερμότητα μεταφέρεται με θερμική αγωγή από το ζεστό πυρήνα προς την περιφέρεια της αποθήκης. Οι βρόχοι όλων των γεωτρήσεων είναι μονοί. Εικόνα 1.13 Διάταξη κατακόρυφων γεωτρήσεων [12]. ΕΚΣΔ -13-

24 Κεφ. 1: Εισαγωγή Σε κανονικές συνθήκες θέρμανσης (βασικό φορτίο) γίνεται χρήση των τριών αντλιών θερμότητας (HP-1, HP-2, HP-3). Τα υψηλά θερμικά φορτία καλύπτονται από δύο βοηθητικούς λέβητες. Για την ικανοποίηση των ψυκτικών φορτίων χρησιμοποιούνται οι αντλίες θερμότητας HP-2 και HP-3. Τα δεδομένα της εγκατάστασης είναι τα εξής: - Θερμαινόμενη επιφάνεια : 2400 m 2 - Ετήσιες απαιτήσεις σε θέρμανση : 487 MWh - Ετήσιες απαιτήσεις σε ψύξη : 117 MWh - Ονομαστική θερμική απόδοση αντλιών θερμότητας : 100 kw η καθεμία - Ονομαστική θερμική ισχύς λεβήτων : 160 kw ο καθένας - Βάθος γεωτρήσεων : 146 m - Απόσταση μεταξύ γεωτρήσεων : 8 m - Επιφάνεια πεδίου ηλιακών συλλεκτών : 200 m 2 Από τα αποτελέσματα της εργασίας αρχικά αποδείχθηκε ότι η πρόσδοση θερμότητας από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών στο πεδίο των γεωτρήσεων συμβάλλει σε μεγάλο βαθμό στο συνολικό απαιτούμενο μήκος γεώτρησης. Υπολογίστηκε ότι η αύξηση του απαιτούμενου μήκους γεώτρησης στη συγκεκριμένη εφαρμογή, εάν δεν υπάρχει πρόσδοση θερμότητας από το ηλιακό σύστημα, είναι περίπου 36%. Η συνολική ετήσια πρόσδοση θερμότητας στην υπεδάφια αποθήκη υπολογίστηκε ίση με 190 MWh, ενώ η ετήσια απολαβή θερμότητας από αυτήν ήταν 218,4 MWh. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, με την πρόσδοση θερμότητας στο υπέδαφος οι θερμοκρασίες του πρωτεύοντος κυκλώματος διατηρούνται σε ικανοποιητικά επίπεδα για την αποδοτική λειτουργία των αντλιών θερμότητας. Έτσι, η φόρτιση του πυρήνα της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας κρίθηκε αναγκαία. Τέλος, σύγκριση των δύο εφαρμογών (μικρής και μεγάλης ισχύος) κατέδειξε ότι η αποθήκευση θερμότητας στο υπέδαφος συμβάλλει σε μεγαλύτερο βαθμό στη μείωση της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας στις εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Το 2009 οι Chapuis και Bernier πρότειναν μια εναλλακτική διάταξη του εγκατεστημένου συστήματος θέρμανσης ενός συγκροτήματος 52 κτιρίων κατοικιών, έτσι ώστε να βελτιωθούν οι βαθμοί απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών καθώς και να μειωθούν οι απώλειες από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας [13]. Η εγκατάσταση βρίσκεται στην πόλη Okotoks, στην επαρχία της Alberta στον Καναδά. ΕΚΣΔ -14-

25 Κεφ. 1: Εισαγωγή Στο υπάρχον σύστημα το κύκλωμα των γεωτρήσεων συνδέεται σε σειρά με το δίκτυο διανομής στα κτίρια των κατοικιών, δηλαδή θερμαίνει απευθείας τους χώρους, χωρίς τη χρήση αντλιών θερμότητας. Επιπλέον, υπάρχουν εγκατεστημένοι λέβητες ώστε να διατηρούν τη θερμοκρασία του νερού πάνω από τους 35 ο C. Η εικόνα 1.14 απεικονίζει το λειτουργικό διάγραμμα της εγκατάστασης. Εικόνα 1.14 Λειουργικό διάγραμμα συστήματος θέρμανσης κατοικιών [13]. Η απευθείας θέρμανση των χώρων επιτυγχάνεται προσδίδοντας μεγάλα ποσά θερμότητας στην υπεδάφια αποθήκη και κρατώντας, με αυτό τον τρόπο, τη θερμοκρασία της σε πολύ ψηλά επίπεδα (στο τέλος του καλοκαιριού αναμένεται η μέση θερμοκρασία της αποθήκης να είναι 80 ο C). Όταν ο γεωεναλλάκτης φορτίζεται, το νερό κυκλοφορεί από τις εσωτερικές γεωτρήσεις προς τις περιμετρικές, έτσι ώστε να δημιουργούνται θερμικές ζώνες στην ακτινική διεύθυνση. Δηλαδή, οι γεωτρήσεις του πυρήνα της υπεδάφιας διατηρούνται σε υψηλότερη θερμοκρασία από αυτές της περιμέτρου. Όταν ο γεωεναλλάκτης αποφορτίζεται, το νερό κατευθύνεται από τις εξωτερικές προς τις εσωτερικές γεωτρήσεις. Η ταυτόχρονη πρόσδοση και απολαβή θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη είναι αδύνατη, καθώς οι γεωτρήσεις είναι μονού βρόχου. Τα δεδομένα της εγκατεστημένης διάταξης είναι τα παρακάτω: - Ετήσιες απαιτήσεις θερμικών φορτίων : 646 MWh - Αριθμός γεωτρήσεων : 144 (24 κυκλώματα των 6 γεωτρήσεων) - Βάθος γεωτρήσεων : 35 m - Απόσταση μεταξύ γεωεναλλκτών : 2,25 m - Επιφάνεια πεδίου ηλιακών συλλεκτών : 2293 m 2 ΕΚΣΔ -15-

26 Κεφ. 1: Εισαγωγή Τα μειονεκτήματα της εγκατεστημένης διάταξης είναι οι αυξημένες θερμικές απώλειες της αποθήκης, καθώς και ο χαμηλός βαθμός απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Αμφότερα τα μειονεκτήματα οφείλονται στις υψηλές θερμοκρασίες της υπεδάφιας αποθήκης και του ρευστού του κυκλώματος των γεωτρήσεων και των ηλιακών συλλεκτών. Με στόχο την εξάλειψη των προβλημάτων, στην εργασία προτάθηκαν: α) εγκατάσταση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, β) μείωση (υποτετραπλασιασμός) της επιφάνειας των συλλεκτών και γ) εγκατάσταση γεωτρήσεων τύπου διπλού βρόχου. Επίσης προτάθηκε αύξηση της απόστασης μεταξύ των γεωτρήσεων, ώστε να τετραπλασιαστεί ο όγκος της υπεδάφιας κυλινδρικής αποθήκης. Έτσι, μειώνεται η απαιτούμενη θερμοκρασία στην οποία πρέπει να διατηρείται η υπεδάφια αποθήκη. Επιπλέον, μειώνονται τα θερμοκρασιακά επίπεδα του ρευστού. Τα αποτελέσματα της μελέτης προέκυψαν με προσομοίωση στο TRNSYS. Παρατηρήθηκε σημαντική μείωση στις θερμικές απώλειες της υπεδάφιας αποθήκης. Στο σύστημα ως έχει αυτές είναι 312 MWh και αντιπροσωπεύουν το 33% της συνολικής προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην εγκατεστημένη διάταξη. Οι αντίστοιχες τιμές στην προτεινόμενη διάταξη είναι 82 MWh και 14%. Επίσης παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση του μέσου ετήσιου βαθμού απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών (23% στην εγκατεστημένη διάταξη και 58% στην προτεινόμενη). Τέλος, υπολογίστηκε το ποσοστό κατά το οποίο οι θερμικές ανάγκες των κτιρίων ικανοποιούνται από την ηλιακή ενέργεια που συλλέγεται. Στο εγκατεστημένο σύστημα (απευθείας θέρμανση) το ποσοστό αυτό είναι 98%. Το 2% καλύπτεται από τους λέβητες που λειτουργούν βοηθητικά. Στο προτεινόμενο σύστημα, το ποσοστό των απαιτήσεων προς τη συλλεγόμενη ηλιακή ενέργεια είναι 78%, ενώ το υπόλοιπο 22% αντιπροσωπεύει την απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια από τους συμπιεστές των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας. Το 2011 οι Heplin, Kummert και Cauret πρότειναν ένα σύστημα αντλιών θερμότητας συζευγμένων με γεωεναλλάκτες και ηλιακή υποβοήθηση για τη θέρμανση ενός τυπικού κτιρίου γραφείων στη Γαλλία [14]. Κύριος στόχος της εργασίας ήταν να δειχθεί ότι η εγκατάσταση ηλιακών συλλεκτών συμβάλλει στη μείωση του κόστους κεφαλαίου τέτοιων συστημάτων. Θεωρήθηκε ότι το κτίριο έχει απαιτήσεις μόνο σε θερμικά φορτία. Αρχικά αξιολογήθηκε και ελέγχθηκε πειραματικά μια διάταξη-πρότυπο του κτιρίου και του προτεινόμενου συστήματος θέρμανσης. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις συγκρίθηκαν με αποτελέσματα προσομοιώσεων στο TRNSYS. Η πειραματική διάταξη φαίνεται διαγραμματικά στην εικόνα Το πεδίο των γεωτρήσεων είναι συνδεδεμένο σε σειρά με το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών, με δυνατότητα παράκαμψής ΕΚΣΔ -16-

27 Κεφ. 1: Εισαγωγή του. Οι ροές των δύο δικτύων αναμειγνύονται και εισέρχονται στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας. Τα θερμικά φορτία προκύπτουν από ειδική διάταξη που μιμείται τη θερμική συμπεριφορά του κτιρίου (δεξιά πλευρά της εικόνας 1.15). Το νερό του δοχείου αδρανείας θερμαίνεται από την αντλία θερμότητας. Με αυτό τον τρόπο αναπαρίσταται η χωρητικότητα του δικτύου διανομής. Ο εναλλάκτης θερμότητας και ο ανεμιστήρας απορρίπτουν τη θερμότητα σε εξωτερικό χώρο και αναπαριστούν τις απώλειες του κτιρίου. Εικόνα 1.15 Λειτουργικό διάγραμμα πειραματικού συστήματος [14]. Μετά τη διακρίβωση της λειτουργίας του συστήματος και των στοιχείων του πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του κτιρίου και του προτεινόμενου συστήματος θέρμανσης. Στην εικόνα 1.16 φαίνεται η κάτοψη ενός τυπικού ορόφου του κτιρίου που μελετήθηκε. Εικόνα 1.16 Κάτοψη τυπικού ορόφου του κτιρίου [14]. Τα δεδομένα για την προσομοίωση ήταν τα εξής: - Εμβαδόν θερμαινόμενης επιφάνειας : 1250 m 2 - Αριθμός ορόφων : 3 - Βάθος κατακόρυφων γεωτρήσεων : 100 m - Απόσταση μεταξύ γεωτρήσεων : 6 m ΕΚΣΔ -17-

28 Κεφ. 1: Εισαγωγή - Αριθμός γεωτρήσεων : 63 - Επιφάνεια συλλεκτών : 1000 m 2 Οι ετήσιες απαιτήσεις σε θέρμανση είναι 351 MWh, με μέγιστο θερμικό φορτίο 284 kw. Βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων αποδείχθηκε ότι με την εγκατάσταση των ηλιακών συλλεκτών το συνολικό απαιτούμενο μήκος γεώτρησης μειώθηκε κατά 30%, ενώ το κόστος κεφαλαίου μειώθηκε κατά 23%. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που δημιουργούνται από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών η απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια από το συμπιεστή της αντλίας θερμότητας μειώνεται. Ωστόσο, ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνεται από τους κυκλοφορητές του ηλιακού συστήματος. Συγκρίνοντας τη λειτουργία με και χωρίς τα πεδία των ηλιακών συλλεκτών, εκτιμήθηκε ότι σε χρονικό ορίζοντα εικοσαετίας το κόστος κύκλου ζωής είναι κατά 15% μειωμένο στην περίπτωση με το ηλιακό σύστημα. Το 2014 οι Dai, Li, DuanMu, Shang και Dong εξέτασαν πειραματικά ένα σύστημα αντλίας θερμότητας συζευγμένης με γεωεναλάκτες και ηλιακή υποβοήθηση στην πόλη Dalian στην Κίνα [15]. Το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών παράγει θερμότητα, η οποία αποθηκεύεται σε δοχείο αδρανείας. Ένα κλειστό κύκλωμα συνδέει το δοχείο αδρανείας με το πρωτεύον και το δευτερεύον δίκτυο της αντλίας θερμότητας με διακλαδώσεις και δίοδες βαλβίδες, οι οποίες ελέγχονται ηλεκτρονικά. Με αυτή τη διάταξη η θερμότητα που είναι αποθηκευμένη στο δοχείο αδρανείας μεταφέρεται προς το πρωτεύον ή προς το δευτερεύον δίκτυο. Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος και οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις φαίνοναι στην εικόνα Εικόνα 1.17 Λειτουργικό διάγραμμα της εγκατάστασης με τις μετρητικές διατάξεις [15]. ΕΚΣΔ -18-

29 Κεφ. 1: Εισαγωγή Κατά τη σύνδεση του κλειστού κυκλώματος με το πρωτεύον δίκτυο, όταν η αντλία θερμότητας λειτουργεί, η ροή κατευθύνεται από το δοχείο αδρανείας προς την είσοδο του εξατμιστήρα ή από την έξοδο του εξατμιστήρα προς το δοχείο αδρανείας. Όταν η αντλία θερμότητας είναι σε παύση, η ροή κατευθύνεται προς το γεωεναλλάκτη. Κατά τη σύνδεση του κλειστού κυκλώματος με το δευτερεύον δίκτυο, η ροή κατευθύνεται από το δοχείο αδρανείας προς τα θερμαντικά στοιχεία των κεντρικών κλιματιστικών μονάδων. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη του συστήματος είναι τα εξής: - Θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας : 19,7 kw - Συνολικό μήκος γεώτρησης : 350 m - Επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών : ~10 m 2 - Χωρητικότητα δοχείου αδρανείας : 1 m 3 Στη συγκεκριμένη έρευνα ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε δύο μεγέθη: α) στη διάρκεια πρόσδοσης θερμότητας στο πεδίο των γεωτρήσεων και β) στην ογκομετρική παροχή του κυκλώματος του δοχείου αδρανείας. Το σύστημα εξετάσθηκε κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου, που είναι ο ψυχρότερος μήνας για τη συγκεκριμένη τοποθεσία. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων οδήγησαν στα παρακάτω συμπεράσματα: - Η πρόσδοση θερμότητας από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών σε αυτό των κατακόρυφων γεωτρήσεων αυξάνει την απόδοση του συστήματος και επιταχύνει τη θερμική αναγέννηση του θερμικά ενεργοποιούμενου υπεδάφους. - Η χρήση του δοχείου αδρανείας συμβάλλει στο βαθμό συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. Η δυνατότητα αποθήκευσης θερμότητας δημιουργεί σταθερότητα στις θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της ημέρας. - Σε συνθήκες λειτουργίας όπου το δοχείο αδρανείας είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το κύκλωμα του γεωεναλλάκτη, με την αύξηση της ογκομετρικής παροχής στο κύκλωμα του δοχείου παρατηρείται μείωση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από το συμπιεστή της αντλίας θερμότητας. Κατά το μήνα σχεδιασμού, η βέλτιστη διαδρομή του ρευστού είναι από την αντλία θερμότητας στο δοχείο αδρανείας και μετά στους γεωεναλλάκτες. Τα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας με ηλιακή υποβοήθηση χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση και την ψύξη κτιρίων από τη δεκαετία του 70. Κρίσιμα μεγέθη κατά το σχεδιασμό είναι ο αριθμός, το βάθος των γεωτρήσεων καθώς και η διάταξή τους στην περιοχή του γεωεναλλάκτη. ΕΚΣΔ -19-

30 Κεφ. 1: Εισαγωγή Η έρευνα που πραγματοποιείται στον τομέα της αβαθούς γεωθερμίας στόχο έχει τη μείωση της ενέργειας που καταναλώνουν οι γεωθερμικές αντλίες και οι άλλες συσκευές που απαρτίζουν τα εν λόγω συστήματα. Η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια συνδέεται άμεσα με το βαθμό συμπεριφοράς (C.O.P.) της αντλίας θερμότητας, ο οποίος επηρρεάζεται έντονα από τις θερμοκρασίες του πρωτεύοντος δικτύου της αντλίας θερμότητας. Γι αυτό το λόγο οι έρευνες είναι στραμμένες προς τη μεγιστοποίηση του βαθμού συμπεριφοράς των αντλιών θερμότητας με αύξηση της θερμοκρασίας του γεωεναλλάκτη. Ιδανική λύση για τη θέρμανση του υπεδάφους αποδείχθηκε η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Στις περισσότερες εφαρμογές πεδία ηλιακών συλλεκτών παράγουν θερμότητα για την κάλυψη των αναγκών ζεστού νερού χρήσης και η περίσσεια θερμότητας αποθηκεύεται στην περιοχή του γεωεναλλάκτη. Κύριος παράγοντας που καθιστά ένα σύστημα αβαθούς γεωθερμίας με ηλιακή υποβοήθηση αποδοτικό είναι η μεγιστοποίηση του ηλιακού κλάσματος, δηλαδή του ποσού της ηλιακής ενέργειας που χρησιμοποιείται για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων του κτιρίου προς τις συνολικές θερμικές απαιτήσεις. ΕΚΣΔ -20-

31 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων 2. Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων 2.1. Υπάρχον κτίριο και σύστημα θέρμανσης Το Γυμνάσιο Μεγάλης Παναγίας βρίσκεται στο δυτικό άκρο του οικισμού της Μεγάλης Παναγίας του δήμου Αριστοτέλη στο νομό Χαλκιδικής. Η ευρύτερη περιοχή της Χαλκιδικής κατατάσσεται σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ. στην κλιματική ζώνη Γ και έχει κλίμα ορεινό. Η θέση του σχολείου δίνεται από τις παρακάτω παραμέτρους: Γεωγραφικό Πλάτος : Γεωγραφικό Μήκος : Υψόμετρο : 476 m Εικόνα 2.1 Ο οικισμός της Μεγάλης Παναγίας.[16] Εικόνα 2.2 Το Γυμνάσιο Μ. Παναγίας.[16] Το κτίριο του Γυμνασίου είναι διώροφο κτίριο (ισόγειο και ένας όροφος) και στεγάζονται σε αυτό 6 αίθουσες διδασκαλίας, 2 αίθουσες εργαστηρίων, αίθουσα βιβλιοθήκης, γραφείο καθηγητών, γραφείο διευθυντή, αποδυτήρια, τουαλέτες, κυλικείο, χώροι κυκλοφορίας, 2 κλιμακοστάσια και μηχανοστάσιο τα οποία φαίνονται στις αρχιτεκτονικές κατόψεις στις εικόνες 2.3 και 2.4. Τα βασικά στοιχεία του κτιρίου δίνονται στον πίνακα 2.1 Πίνακας 2.1 Βασικά στοιχεία του Γυμνασίου Μ. Παναγίας. Όροφοι : 2 Ύψος ορόφου : 3,07 m Επιφάνεια θερμαινόμενων χώρων : 1250 m 2 Επιφάνεια μη θερμαινόμενων χώρων : 30 m 2 Συνολικός όγκος κτιρίου : 4320 m 3 ΕΚΣΔ -21-

32 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Εικόνα 2.3 Αρχιτεκτονικό σχέδιο κάτοψης ισογείου του Γυμνασίου Μ. Παναγίας [16]. ΕΚΣΔ -22-

33 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Εικόνα 2.4 Αρχιτεκτονικό σχέδιο κάτοψης 1 ου ορόφου του Γυμνασίου Μ. Παναγίας [16]. ΕΚΣΔ -23-

34 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Το κτίριο είναι προσανατολισμένο με τις μεγάλες του πλευρές κατά μήκος του άξονα ΒΒΑ ΝΝΔ. Είναι δηλαδή με κλίση περίπου 20 ο στραμμένο ανατολικά σε σχέση με τον άξονα Β Ν. Η βασική όψη του κτιρίου, αυτή με τη μεγαλύτερη έκταση ανοιγμάτων και την κύρια είσοδο προς την αυλή, είναι η ΔΒΔ όψη του (εικόνα 2.8). Η περισσότερο ευνοϊκή από άποψη ηλιακής προσόδου ΑΝΑ όψη του κτιρίου (εικόνα 2.6) έχει σχετικά μικρή έκταση υαλοστασίων, κυρίως φεγγίτες. Πολλοί μάλιστα από τους βοηθητικούς χώρους του κτιρίου (λεβητοστάσιο, κυλικείο, χώροι υγιεινής) είναι τοποθετημένοι με τους εξωτερικούς τοίχους σε αυτήν την όψη. Στο κτίριο δεν υπάρχουν σκίαστρα και άλλες διατάξεις ηλιοπροστασίας. Θα έλεγε κανείς ότι το κτίριο από άποψη διάταξης χώρων και ανοιγμάτων παραβιάζει τις βασικές αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής. Το κέλυφος του κτιρίου έχει: Τα στοιχεία του φέροντα οργανισμού Τις εξωτερικές τοιχοποιίες Το δάπεδο επί εδάφους Την οροφή κάτω από τη στέγη Ο φέρων οργανισμός του κτιρίου είναι στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα: υποστυλώματα, δοκοί, τοιχία στα κλιμακοστάσια. Μη φέροντα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα υπάρχουν στις όψεις του κτιρίου ως ενδιάμεσα στοιχεία ανάμεσα στα κυρίως ανοίγματα και τους φεγγίτες. Οι εξωτερικές τοιχοποιίες είναι με μπατική πλινθοδομή με επιχρίσματα, μπατική και ορθοδρομική πλινθοδομή με διάκενο μεταξύ τους και επιχρίσματα, υπερμπατική και δρομική πλινθοδομή με διάκενο και επιχρίσματα. Εικόνα 2.5 Άποψη του κτιρίου από δυτικά, όπου φαίνονται η ΔΒΔ όψη και η ΝΝΔ όψη του, με χρήση του λογισμικού Sketchup. ΕΚΣΔ -24-

35 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Εικόνα 2.6 Άποψη του κτιρίου από ανατολικά, όπου φαίνονται η ΑΝΑ όψη και η ΒΒΑ όψη του, με χρήση του λογισμικού Sketchup. Εικόνα 2.7 Άποψη του κτιρίου από νότια, όπου φαίνονται η ΝΝΔ όψη και η ΑΝΑ όψη του, με χρήση του λογισμικού Sketchup. Εικόνα 2.8 Η ΔΒΔ όψη του κτιρίου με χρήση του λογισμικού Sketchup. ΕΚΣΔ -25-

36 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Το δάπεδο του ισογείου είναι ανυψωμένο σε σχέση με τον περιβάλλοντα χώρο. Η οροφή είναι πλάκα σκυροδέματος και κεραμοσκεπή κατασκευασμένη σε ύστερο χρόνο. Σε κανένα από τα παραπάνω δομικά στοιχεία δεν έχει εφαρμοστεί θερμομονωτική στρώση. Το χρώμα των όψεων του κτιρίου είναι σε γενικές γραμμές ανοιχτό με τα κατακόρυφα στοιχεία του φέροντος οργανισμού σκουρόχρωμα. Τα ανοίγματα του κτιρίου στις αίθουσες διδασκαλίας, στα εργαστήρια και στα γραφεία είναι παράθυρα συρόμενα ενώ υπάρχουν φεγγίτες επάνω από αυτά. Στους χώρους υγιεινής και στα αποδυτήρια υπάρχουν μόνον φεγγίτες με συρόμενα κουφώματα, ενώ στις όψεις των χώρων κυκλοφορίας και στα κλιμακοστάσια υπάρχουν υαλοπετάσματα. Η πλειοψηφία των κουφωμάτων του κτιρίου είναι με πλαίσιο αλουμινίου, χωρίς θερμοδιακοπή, με απλά υαλοστάσια. Τα κουφώματα των υαλοπετασμάτων στους χώρους κυκλοφορίας είναι χαλύβδινα, ενώ σε χώρους που έχουν πρόσφατα ανακαινισθεί υπάρχουν συνθετικά κουφώματα με δίδυμους υαλοπίνακες. Στο σύνολό τους σχεδόν, τα κουφώματα είναι σε πολύ κακή κατάσταση. Ο μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας του υπάρχοντος κτιρίου έχει τιμή περίπου 2,08 W/m 2 K. Η τιμή αυτή είναι υπερδιπλάσια της επιτρεπόμενης κατά τον Κ.ΕΝ.Α.Κ (0,90 W/m 2 K) για τα κτίρια της Ζώνης Γ, με λόγο επιφανείας προς όγκο κτιρίου F/V = 0,49 m -1. Το κτίριο ως έχει, σύμφωνα με την ενεργειακή επιθεώρηση που έγινε, κατατάχθηκε στην κατηγορία Ζ με ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας για θέρμανση, φωτισμό και ζεστό νερό χρήσης 208,9 kwh/m 2 (παράρτημα Α) [16]. Το υπάρχον σύστημα θέρμανσης του κτιρίου αποτελείται από: ένα λέβητα με καυστήρα πετρελαίου ισχύος 250 kw το δίκτυο σωληνώσεων προσαγωγής-επιστροφής ζεστού νερού τα θερμαντικά σώματα με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 238 kw (θερμοκρασία προσαγωγής/επιστροφής νερού 90/70 ο C για θερμοκρασία χώρου 20 ο C) 2.2. Η πρόταση για τη βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κελύφους Στα πλαίσια του επιχειρησιακού προγράμματος «Περιβάλλον και Αειφόρος Ανάπτυξη» του Υπουργείου Περιβάλλοντος Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής πραγματοποιήθηκε ενεργειακή μελέτη παρεμβάσεων στο κτίριο. Προτάθηκαν επεμβάσεις στο κέλυφος του κτιρίου, στην εγκατάσταση φωτισμού και στο σύστημα θέρμανσης. Οι επεμβάσεις στο κτιριακό κέλυφος αφορούν στην εφαρμογή συστήματος εξωτερικής θερμοπροστασίας στους εξωτερικούς τοίχους και στην αντικατάσταση όλων των κουφωμάτων του κτιρίου. ΕΚΣΔ -26-

37 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Όσον αφορά τα αδιαφανή δομικά στοιχεία, προτάθηκε να εφαρμοστεί σε κάθε τύπο εξωτερικού τοίχου και στα στοιχεία σκυροδέματος σύστημα εξωτερικής σύνθετης θερμομόνωσης για τοιχοποιία και pilotis που εφαρμόζεται σε υφιστάμενες κατασκευές για την ανακαίνιση κτιρίων. Το σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης θα είναι σε γενικές γραμμές ένα επικολλούμενο σύστημα με βοηθητική μηχανική στερέωση και θα περιλαμβάνει την εφαρμογή θερμομονωτικών πλακών εξηλασμένης πολυστερίνης (XPS) πάχους 5 cm στην εξωτερική πλευρά των δομικών στοιχείων και στη συνέχεια εφαρμογή ρητινούχων επιχρισμάτων τσιμεντοειδούς βάσης επί αυτών. Η εφαρμογή της θερμομόνωσης δεν είναι τεχνικά εφικτό να γίνει στα στοιχεία σκυροδέματος ανάμεσα στα ανοίγματα και στους φεγγίτες και στην πεπλανημένη περιμετρική δοκό στον όροφο πάνω από τους φεγγίτες. Στην οροφή θα εφαρμοστεί θερμομονωτική στρώση από επικαθήμενες πλάκες εξηλασμένης πολυστερίνης πάχους 7 cm επάνω από την πλάκα οροφής, κάτω από την κεραμοσκεπή στέγη. Τέλος, στο δάπεδο του κτιρίου δεν προβλέπεται εφαρμογή θερμομόνωσης. Εικόνα 2.9 Η BBA όψη του σχολείου, όπως είναι σήμερα. Εικόνα 2.10 Η ΝΝΔ όψη του σχολείου. Εικόνα 2.11 Εσωτερικός χώρος του σχολείου. ΕΚΣΔ -27-

38 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Σχετικά με τα διαφανή δομικά, προτάθηκε η αντικατάσταση όλων των κουφωμάτων με νέα κουφώματα αλουμινίου με θερμοδιακοπή που θα έχουν δίδυμο θερμομονωτικό υαλοπίνακα συνολικού πάχους 24 mm (εσωτερικό κρύσταλλο laminated mm, διάκενο 12 mm και εξωτερικό κρύσταλλο laminated mm). Τα νέα κουφώματα θα είναι με πιστοποιημένο συντελεστή θερμοπερατότητας στην περιοχή του 1,80 W/m 2 Κ και συντελεστή διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας g στην περιοχή 0,50 0,60 (παράρτημα Β) Η πρόταση για το νέο σύστημα θέρμανσης Το σύστημα θέρμανσης, που προτάθηκε, είναι ένα Υβριδικό Σύστημα Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας με υποβοήθηση από Ηλιακή Διάταξη (Solar Assisted Ground Source Heat Pump System- Hybrid Type). Η διάταξή του, όπως προτάθηκε, φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 2.12 Η διάταξη του προτεινόμενου συστήματος θέρμανσης του σχολείου [16]. Βασικό χαρακτηριστικό αυτού του συστήματος είναι η διεποχική αποθήκευση θερμότητας. Θερμότητα μέσω του πεδίου ηλιακών συλλεκτών θα συλλέγεται καθ όλη τη διάρκεια του έτους από ένα πεδίο ηλιακών συλλεκτών, κυρίως όμως κατά τη θερινή περίοδο, και θα ΕΚΣΔ -28-

39 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων αποθηκεύεται στο υπέδαφος μέσω ενός πεδίου γεωτρήσεων για χρήση κατά την επόμενη χειμερινή περίοδο. Τη χειμερινή περίοδο η μεταφορά της θερμότητας από το υπέδαφος προς το κτίριο θα γίνεται με τη βοήθεια μιας μονάδας αντλίας θερμότητας γεωθερμικού τύπου που και αυτή θα είναι συζευγμένη με το πεδίο γεωτρήσεων μέσω ενός ανεξάρτητου κλειστού κυκλώματος. Βοηθητικά ένας λέβητας θερμού νερού προβλέπεται να λειτουργεί κυρίως τις πρωινές ώρες για την αναθέρμανση του κτιρίου, όπου και απαιτείται η μέγιστη απόδοση ισχύος του συστήματος. Ο λέβητας αυτός μπορεί να θεωρηθεί ως εφεδρική μονάδα λειτουργίας για τη θέρμανση του κτιρίου σε περίπτωση βλάβης της αντλίας θερμότητας Σύστημα παραγωγής θερμότητας Ο λέβητας, σύμφωνα με τη μελέτη προτείνεται να είναι χυτοσιδηρός με καυστήρα πετρελαίου θερμικής ισχύος 90 kw. Θα έχει βαθμό απόδοσης τουλάχιστον 92% και θα είναι εφοδιασμένος με θερμοστάτη λειτουργίας του καυστήρα για ρύθμιση της θερμοκρασίας του νερού σταθερά στους 55 o C. Η γεωθερμική αντλία θερμότητας, κατά την πρόταση, θα είναι τύπου νερού-νερού, διευρυμένων ορίων λειτουργίας με δυο τουλάχιστον συμπιεστές και θα λειτουργεί για την θέρμανση του κτιρίου. Η ισχύς της αντλίας θερμότητας επιλέχθηκε στα 55 kw για θερμοκρασία ρευστού στο πρωτεύον κύκλωμα (εξατμιστήρας) της αντλίας θερμότητας 0 ο C και θερμοκρασία εισόδου/εξόδου στο δευτερεύον δίκτυο (συμπυκνωτής) 40/45 ο C. Η αντλία θερμότητας όπως έχει προδιαγραφεί στην πρόταση θα λειτουργεί με θερμοκρασία εισόδου/ εξόδου νερού στο συμπυκνωτή 40/45 ο C και θα πρέπει να έχει αποδιδόμενη θερμική ισχύ στο συμπυκνωτή 55, 75 και 95 kw για θερμοκρασίες εισόδου νερού στον εξατμιστήρα 0, 10 και 20 ο C αντίστοιχα. Οι αντίστοιχοι βαθμοί απόδοσης (C.O.P.) στις τρεις παραπάνω καταστάσεις προδιαγράφηκαν ίσοι με 3,1, 4,1 και 5,2 αντίστοιχα. Για τα παραπάνω βλέπε εικόνα Σύστημα διανομής θερμότητας Η πρόταση για τη διανομή θερμότητας στο κτίριο βασίζεται στη διαπίστωση ότι η υπάρχουσα έκταση των θερμαντικών σωμάτων (συνολική απόδοση 238 kw για θερμοκρασία προσαγωγής/επιστροφής νερού 90/70 ο C και θερμοκρασία χώρων 20 ο C) είναι σε θέση να αποδώσει μέσα στο κτίριο 80 kw για θερμοκρασίες προσαγωγής/επιστροφής 45/40 ο C, όπως απαιτεί η εγκατάσταση της αντλίας θερμότητας ως βασικού παραγωγού θερμού νερού για τη θέρμανση του κτιρίου. Στους χώρους κυκλοφορίας (κλιμακοστάσια χώροι διαλλείματος), όπου δεν επαρκεί η έκταση των υπαρχόντων σωμάτων, ενώ ταυτόχρονα απαιτείται γρήγορη αναθέρμανσή τους, ΕΚΣΔ -29-

40 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων προτάθηκε να εγκατασταθεί περιορισμένος αριθμός (2-3) μονάδων ανεμιστήρα στοιχείου (Fan Coils). Σε γενικές γραμμές, οι παροχές νερού στο υπάρχον δίκτυο διανομής των θερμαντικών σωμάτων που θα μετατραπεί σε δίκτυο χαμηλών θερμοκρασιών μπορούν να παραμείνουν στα ίδια επίπεδα, αφού ο υποτετραπλασιασμός της διαφοράς θερμοκρασίας του δικτύου γίνεται παράλληλα με τον υποτετραπλασιασμό της απαιτούμενης απόδοσης θερμότητας. Για το λόγο αυτό οι απαιτήσεις κατασκευής νέου δικτύου διανομής θερμού νερού περιορίζονται σημαντικά. Θα επιχειρηθεί βέβαια, κατά την πρόταση, μια αναδιάταξη των βασικών κλάδων του δικτύου διανομής θερμού νερού στο κτίριο ώστε να προκύψει ένα «καθαρότερο» από λειτουργικής άποψης σχήμα διανομής. Εικόνα 2.13 Χαρακτηριστικά μεγέθη λειτουργίας της αντλίας θερμότητας. Μετά από την πραγμάτωση των παραπάνω παρεμβάσεων, τα θερμαντικά σώματα, κατά τη τροφοδοσία τους με νερό σε συνθήκες θερμοκρασιών προσαγωγής/επιστροφής 45/40 ο C, θα αποδίδουν θερμική ισχύς 80 kw σε χώρους με θερμοκρασία 20 ο C και 130 kw κατά τη λειτουργία του λέβητα, για θερμοκρασίες προσαγωγής/επιστροφής 55/50 ο C. Η αποδιδόμενη ισχύς των θερμαντικών σωμάτων στις διάφορες θερμοκρασίες προσαγωγής/επιστροφής υπολογίστηκε σύμφωνα με τη σχέση: ΕΚΣΔ -30-

41 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων όπου: q q 60 n t. q : Η αποδιδόμενη ισχύς των σωμάτων στις επιθυμητές θερμοκρασίες προσαγωγής, επιστροφής και αέρα χώρου q. n : Η αποδιδόμενη ισχύς των σωμάτων για θερμοκρασίες προσαγωγής/επιστροφής 90/70 ο C και θερμοκρασία χώρων 20 ο C Δt : Η θερμοκρασιακή διαφορά Δt = (tm - ti) για tm την μέση τιμή των επιθυμητών θερμοκρασιών προσαγωγής/επιστροφής και ti την θερμοκρασία του χώρου Σύστημα ηλιακών συλλεκτών Το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών, που θα εγκατασταθεί στη στέγη του κτιρίου, θα έχει, σύμφωνα με τη μελέτη, συνολική επιφάνεια 48 m 2 και θα χωρίζεται σε δύο μικρότερα πεδία, αφού στη στέγη του κτιρίου δεν υπάρχει έκταση για εγκατάσταση ενιαίου πεδίου. Το πρώτο πεδίο, λοιπόν, θα έχει συνολική έκταση 24 m 2 και θα είναι προσανατολισμένο νοτιοανατολικά, με αζιμούθιο 110 ο, ενώ το δεύτερο θα έχει συνολική έκταση 24 m 2 και θα είναι προσανατολισμένο νοτιοδυτικά, με αζιμούθιο 200 ο (εικόνα 2.14). Και τα δύο πεδία θα τοποθετηθούν επί της υπάρχουσας κεραμοσκεπής με κλίση 20 ο. Εικόνα 2.14 Κάτοψη: προσανατολισμός των δύο πεδίων ηλιακών συλλεκτών. ΕΚΣΔ -31-

42 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Οι ηλιακοί συλλέκτες, σύμφωνα με τη μελέτη, θα ομαδοποιηθούν σε τρεις ομάδες, με τέσσερις συλλέκτες σε κάθε ομάδα. Θα είναι δηλαδή συνδεδεμένοι μεταξύ τους παράλληλα. Στη μελέτη προτείνονται απλοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες με ένα κάλυμμα, χωρίς επιλεκτική βαφή. Η συλλεγόμενη θερμότητα από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών θα μεταφέρεται και θα αποθηκεύεται στο υπέδαφος, κάτω από την αυλή του σχολείου μέσω του γεωεναλλάκτη Ο γεωεναλλάκτης Θα κατασκευασθεί σύμφωνα με τη μελέτη κατακόρυφος γεωεναλλάκτης με γεωτρήσεις που θα έχουν η κάθε μια δυο διπλούς βρόχους (δηλαδή 2 U Tubes, ένα για το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών και ένα για το κύκλωμα της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας). Αυτός ο τύπος της γεώτρησης, εκτός από την αποθήκευση θερμότητας που προέρχεται από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών, επιτρέπει, επιπλέον, την ταυτόχρονη φόρτιση και αποφόρτιση του θερμικά ενεργοποιούμενου υπεδάφους. Τα βασικά στοιχεία του προτεινόμενου γεωεναλλάκτη είναι: Αριθμός κατακόρυφων γεωτρήσεων : 18 Βάθος γεωτρήσεων Συνολικό μήκος γεωτρήσεων Διάμετρος γεωτρήσεων : 30 m : 540 m : 115 mm Διάταξη γεωτρήσεων : πρισματικός κάνναβος (εικόνα 2.15) Απόσταση μεταξύ των γεωτρήσεων : 3,8 m Επιφάνεια εδάφους που καταλαμβάνεται : 150,6 m 2 Όγκος αποθήκης : 4518 m 3 Υλικό πλήρωσης γεωτρήσεων : ειδικό θερμοαγώγιμο μίγμα μπετονίτη - άμμου - νερού Ρευστό πλήρωσης κυκλωμάτων : διάλυμα προπυλενογλυκόλης 15% κ.β. Οι γεωτρήσεις, σύμφωνα με την πρόταση, θα ομαδοποιηθούν σε έξι ομάδες των τριών γεωτρήσεων (δύο περιμετρικές και μια εσωτερική σε κάθε ομάδα). Οι τρεις γεωτρήσεις της κάθε ομάδας θα τροφοδοτούνται σε σειρά, δηλαδή η έξοδος της μίας γίνεται είσοδος στην άλλη. Στο βρόχο του πρωτεύοντος κυκλώματος της αντλίας θερμότητας η σειρά τροφοδοσίας είναι πρώτα οι περιμετρικές και μετά η εσωτερική. Στο βρόχο του ηλιακού κυκλώματος η σειρά τροφοδοσίας είναι αντίστροφη, πρώτα δηλαδή η εσωτερική και μετά οι περιμετρικές. ΕΚΣΔ -32-

43 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Οι παροχές που προβλέπονται σε κάθε τριάδα γεωτρήσεων είναι 0,37 l/s στο βρόχο του πρωτεύοντος και 0,23 l/s στο βρόχο των ηλιακών, δηλαδή για το σύνολο του πεδίου είναι 2,22 l/s στο κύκλωμα του πρωτεύοντος και 1,4 l/s στο κύκλωμα των ηλιακών. Οι σωλήνες των βρόχων θα είναι τυποποιημένοι, από πολυαιθυλένιο υψηλής πίεσης διασταυρούμενης δικτύωσης (high pressure crosslinked polyethylene) PEX-a με τύπο διαστάσεων Φ32x2.9 mm. Όπως αναφέρθηκε η πλήρωση του κυκλώματος θα γίνει με διάλυμα προπυλενογλυκόλης (15% κ.β.) για την αποφυγή παγώματος του δικτύου. Εικόνα 2.15 Η προτεινόμενη διάταξη των γεωτρήσεων της αποθήκης-γεωεναλλάκτη [16] Δεδομένα και αναμενόμενα αποτελέσματα της αρχικής μελέτης Στην πρόταση ενεργειακών επεμβάσεων έγινε υπολογισμός θερμικών φορτίων του κτιρίου κατά ΕΝ 12831, υπολογισμός των ενεργειακών καταναλώσεων για θέρμανση με το λογισμικό EnergyPlus και διαστασιολόγηση του γεωεναλλάκτη με το λογισμικό Earth Energy Designer 3.0 (EED 3.0) [16]. ΕΚΣΔ -33-

44 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Η επιθυμητή θερμοκρασία εσωτερικού αέρα επιλέχθηκε 20 o C για όλους τους χώρους του σχολείου κατά τη διάρκεια λειτουργίας του (8:00-14:00). Τα θερμικά φορτία αγωγιμότητας του κτιρίου υπολογίστηκαν με βάση τις αναμενόμενες τιμές των συντελεστών θερμοπερατότητας των δομικών στοιχείων, όπως θα προκύψουν μετά τις παρεμβάσεις. Έγινε σε όλα τα δομικά στοιχεία μια προσαύξηση 0,10 W/m 2 K ώστε να ληφθεί υπόψη η ύπαρξη πολλών θερμογεφυρών στο κτίριο. Οι υπολογισμοί των συντελεστών θερμοπερατότητας των δομικών στοιχείων φαίνονται στο παράρτημα Γ. Μετά την εφαρμογή των προτεινόμενων παρεμβάσεων, ο μέσος συντελεστής θερμοπερατότητας του κτιρίου υπολογίστηκε ότι θα είναι 0,82 W/m 2 Κ. Η τιμή αυτή είναι μικρότερη από την ελάχιστη κατά τον Κ.ΕΝ.Α.Κ. για τα κτίρια της ζώνης Γ (0,90 W/m 2 Κ) για το λόγο F/V= 0,49 m -1. Τα θερμικά φορτία λόγω ελάχιστου αερισμού και λόγω φυσικής διείσδυσης αέρα από τα ανοίγματα υπολογίστηκαν σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ.. Οι ρυθμοί ελάχιστου απαιτούμενου αερισμού στους χώρους, κατά την κανονική λειτουργία του σχολείου, φαίνονται στον πίνακα 2.2. Στις υπόλοιπες ώρες, που το σχολείο είναι κλειστό, ο αερισμός του κτιρίου γίνεται μόνο λόγω φυσικής διείσδυσης αέρα από τις χαραμάδες των κουφωμάτων. Πίνακας 2.2 Ρυθμοί ελάχιστου αερισμού ανά χώρο. Χώρος Ρυθμός ελάχιστου αερισμού Γραφεία-Βιβλιοθήκη 1 αλλαγή αέρα την ώρα (ach) Αίθουσες Διδασκαλίας 2 αλλαγές αέρα την ώρα (ach) Χώροι διαλλείματος-κυκλοφορίας 0,5 αλλαγή αέρα την ώρα (ach) Αποδυτήρια 0,5 αλλαγή αέρα την ώρα (ach) Αποθήκες 0,5 αλλαγή αέρα την ώρα (ach) Τουαλέτες-Κυλικείο 1,5 αλλαγές αέρα την ώρα (ach) Για την επίτευξη της θερμικής άνεσης την 8:00 π.μ. ελήφθησαν υπόψιν τα φορτία αναθέρμανσης. Οι υπολογισμοί των θερμικών φορτίων αναθέρμανσης κατά το EN12831 έγιναν με την παραδοχή ότι η αναθέρμανση πραγματοποιείται από την νυχτερινή θερμοκρασία 17 o C στους 20 o C σε δυο ώρες, πριν από την έναρξη του ωραρίου του σχολείου. Τα θερμικά φορτία για το κτίριο όπως υπολογίστηκαν στη μελέτη είναι: - Θερμικά φορτία αγωγιμότητας : 42,0 kw - Θερμικά φορτία ελάχιστου αερισμού : 31,9 kw - Θερμικά φορτία φυσικής διείσδυσης αέρα : 7,4 kw - Θερμικά φορτία αναθέρμανσης : 24,4 kw ΕΚΣΔ -34-

45 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Σύμφωνα με τη μελέτη, η απαραίτητη συνολική αποδιδόμενη ισχύς από το σύστημα προέκυψε 73,8 kw για την πρωινή αναθέρμανση και 73,9 kw για την εντός ωραρίου λειτουργία. Οπότε το σύστημα παραγωγής και διανομής θερμότητας θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα κάλυψης των απαιτήσεων αιχμής που είναι 74 kw. Οι απαιτήσεις σε ενέργεια για την θέρμανση του κτιρίου υπολογίστηκαν σε ωριαία βάση με χρήση του λογισμικού EnergyPlus Τα βασικά δεδομένα για τους υπολογισμούς ήταν όπως παρακάτω: 1) Τα δεδομένα του κελύφους του κτιρίου προέκυψαν όπως παραπάνω. 2) Τα κλιματικά δεδομένα για την περιοχή της Μ. Παναγίας Χαλκιδικής υπολογίστηκαν από τη βάση μετεωρολογικών δεδομένων METEONORM ) Έγινε διακριτοποίηση του κτιρίου σε 20 ανεξάρτητες θερμικές ζώνες ανάλογα με τη θέση και τη χρήση τους. 4) Θεωρήθηκε το ημερολόγιο και το ωράριο λειτουργίας του σχολείου για ένα πλήρες έτος. 5) Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα γεωμετρίας του κτιρίου και κατασκευής του κελύφους. 6) Συμπεριλήφθηκαν προφίλ παρουσίας ατόμων, προφίλ χρήσης συσκευών και προφίλ χρήσης τεχνητού φωτισμού. 7) Συμπεριλήφθηκαν προφίλ αερισμού των χώρων σε ωριαία βάση και ανά ζώνη, σύμφωνα με τις ελάχιστες απαιτήσεις. 8) Το σύστημα θέρμανσης θεωρήθηκε σε λειτουργία επί 8ωρο κάθε ημέρα. Τις δύο πρώτες ώρες (6 έως 8 π.μ.) το σύστημα θεωρήθηκε σε λειτουργία για την αναθέρμανση του κτιρίου στους 17,5 o C την πρώτη ώρα και στους 20 o C την επόμενη. Τις υπόλοιπες έξι ώρες (8 έως 14) το σύστημα θεωρήθηκε ότι λειτουργεί για τη διατήρηση της θερμοκρασίας των χώρων στους 20 o C (κανονική λειτουργία θέρμανσης). 9) Το σύστημα διανομής θερμότητας στους χώρους θεωρήθηκε άμεσης απόδοσης στον αέρα των χώρων (100% απόδοση με συναγωγή). Στον πίνακα 2.3 δίνονται οι υπολογισμοί των απαιτήσεων ενέργειας για την θέρμανση του σχολείου. Στην τρίτη στήλη του πίνακα δίνονται οι συνολικές απαιτήσεις για τη θέρμανση, ενώ στη τέταρτη στήλη δίνονται οι απαιτήσεις χωρίς την ενέργεια που δίνεται τις δύο πρώτες ώρες λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης (6 8 π.μ.). Σύμφωνα με την πρόταση, οι απαιτήσεις κατά τις δύο πρώτες ώρες λειτουργίας θα ικανοποιούνται πάντα από το λέβητα. Η ειδική τιμή του θερμικού φορτίου του κτιρίου σύμφωνα με τα αποτελέσματα του EnergyPlus ήταν περίπου 44 W/m 2 και σύμφωνα με τον υπολογισμό των θερμικών φορτίων 58 W/m 2. Η ειδική τιμή της ετήσιας απαίτησης ενέργειας για θέρμανση χώρων είναι περίπου 25,2 kwh/m 2 με αναθέρμανση και 18,4 kwh/m 2 χωρίς την αναθέρμανση. ΕΚΣΔ -35-

46 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Όσον αφορά τις αναμενόμενες ενεργειακές ροές από τα πεδία των ηλιακών συλλεκτών προς το έδαφος, αυτές υπολογίστηκαν με βάση τις μηνιαίες τιμές της προσπίπτουσας συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας στις επιφάνειες των πεδίων, με την παραδοχή ενός μηνιαίου βαθμού απόδοσης των συλλεκτών ίσο με 0,35 τους καλοκαιρινούς μήνες (ΜΑΙ ΣΕΠ) και 0,30 τους χειμερινούς (ΟΚΤ ΑΠΡ). Οι αναμενόμενες θερμικές ροές δίνονται στον πίνακα 2.4. Πίνακας 2.3 Μηνιαίες απαιτήσεις ενέργειας [kwh] για θέρμανση του κτιρίου [16]. Με τη βοήθεια του λογισμικού EED 3.0 έγινε υπολογισμός των θερμοκρασιών του πρωτεύοντος κυκλώματος της αντλίας θερμότητας και των ενεργειακών ροών σε αυτήν. Στους υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκαν: - Τα βασικά στοιχεία του προτεινόμενου πεδίου γεωτρήσεων, όπως παρουσιάστηκαν παραπάνω. - Τα δεδομένα λειτουργίας της αντλίας θερμότητας. - Οι απαιτήσεις του κτιρίου (κανονική λειτουργία) σύμφωνα με την τελευταία στήλη του πίνακα Οι βασικές θερμορροές από τους ηλιακούς συλλέκτες προς το υπέδαφος όπως την τελευταία στήλη του πίνακα 2.4 (δόθηκαν ως μείωση των απαιτήσεων τη χειμερινή περίοδο και ως ψυκτικό φορτίο του κτιρίου τη θερινή περίοδο). - Τα θερμικά χαρακτηριστικά του εδάφους (παράρτημα Δ) Οι υπολογισμοί θερμοκρασιών στο γεωεναλλάκτη έγιναν για περίοδο λειτουργίας 20 ετών. Συγκρίθηκε η προτεινόμενη λύση του υβριδικού συστήματος με αυτήν ενός συμβατικού γεωθερμικού συστήματος χωρίς ηλιακή διάταξη. ΕΚΣΔ -36-

47 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Πίνακας 2.4 Μηνιαίες τιμές αναμενόμενων τιμών προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και παραγόμενης θερμότητας από τα πεδία των ηλιακών συλλεκτών [16]. Από τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι: - Η τελική μέγιστη ειδική τιμή της θερμορροής από το έδαφος προς το πρωτεύον κύκλωμα είναι 76,5 W/m και της θερμοροής από την ηλιακή διάταξη προς τη γη είναι 46 W/m. - Οι μέσες μηνιαίες τιμές του υγρού στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας μετά την πρώτη πενταετία λειτουργίας είναι στο εύρος 15 o C 23 o C. Το κάτω όριο των θερμοκρασιών εμφανίζεται το Φεβρουάριο και το άνω όριο τον Αύγουστο. - Εάν δεν υπάρχει η ηλιακή διάταξη οι μέσες μηνιαίες τιμές του υγρού στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας μετά τη δεκαετία λειτουργίας είναι στο εύρος 9 o C 14 o C. Το κάτω όριο των θερμοκρασιών εμφανίζεται το Φεβρουάριο και το άνω όριο τον Αύγουστο. - Σε συνθήκες συνεχούς πλήρους φόρτισης κατά τη λειτουργία, η ελάχιστη πιθανή θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας αυξάνεται σταδιακά από χρόνο σε χρόνο. Δεν αναμένεται να είναι κάτω από -0,5 o C τον πρώτο χρόνο λειτουργίας και κάτω από 1 o C μετά την παρέλευση δεκαετίας. Εάν δεν τοποθετηθεί η ηλιακή διάταξη αυτές οι ελάχιστες πιθανές θερμοκρασίες μειώνονται από χρονιά σε χρονιά με τις τιμές μετά την παρέλευση 10ετίας ίσες με -4 o C. - Η μέγιστη πιθανή θερμοκρασία υγρού εισόδου στο κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών που υπολογίστηκε είναι 30 o C το μήνα Αύγουστο. Στην πρόταση επισημαίνεται το σαφές πλεονέκτημα το οποίο έχει ο συγκεκριμένος γεωεναλλάκτης λόγω της ύπαρξης ηλιακής διάταξης σε σχέση με τα αντίστοιχα συμβατικού τύπου. Η ηλιακή διάταξη παρεμβαίνει αποφασιστικά στην «ανανέωση» της θερμότητας που ΕΚΣΔ -37-

48 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων απορροφάται από την αντλία θερμότητας για τη θέρμανση του σχολείου, οδηγώντας την αποθήκη γεωεναλλάκτη σε μια θερμοκρασιακή στάθμη κατά 4 έως 5 o C υψηλότερα από την αντίστοιχη χωρίς την ηλιακή διάταξη. Αυτό επιφέρει υψηλότερους βαθμούς ενεργειακής συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας κατά τη λειτουργία της τη θερμαντική περίοδο. Στην εικόνα 2.16 δίνονται διαγραμματικά οι αναμενόμενες ροές ενέργειας στο σύστημα για τον 10 ο χρόνο λειτουργίας του εάν θεωρηθεί ότι η αντλία θερμότητας εργάζεται με ετήσιο βαθμό συμπεριφοράς SEERH =4.8. O βαθμός συμπεριφοράς αυτής της τάξης σύμφωνα με τη μελέτη είναι αναμενόμενος, αφού κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου η μέση θερμοκρασία του νερού στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας αναμένεται περί τους 17 o C. Εικόνα 2.16 Ετήσιες ροές ενέργειας στο σύστημα τον 10 ο χρόνο λειτουργίας [16]. ΕΚΣΔ -38-

49 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων Η κατάστρωση του διαγράμματος ροής έγινε με βάση τις παρακάτω προϋποθέσεις: Λέβητας: 130 Wh ανά ημέρα λειτουργίας της εγκατάστασης θέρμανσης δηλαδή συνολικά περίπου 13 kwh (18 ημέρες από τις 118 της περιόδου θέρμανσης δεν απαιτείται ενεργοποίηση του λέβητα) Αντλία θερμότητας δευτερεύον δίκτυο: 80 Wh ανά ώρα λειτουργίας της εγκατάστασης θέρμανσης δηλαδή συνολικά περίπου 60 kwh (6ωρη λειτουργία επί 100 ημέρες 8ωρη λειτουργία 18 ημέρες). Αντλία θερμότητας πρωτεύον δίκτυο: 540 Wh ανά ώρα λειτουργίας της εγκατάστασης θέρμανσης δηλαδή συνολικά περίπου 400 kwh (6ωρη λειτουργία επί 100 ημέρες 8ωρη λειτουργία 18 ημέρες). Ηλιακή διάταξη: 1750 Wh κάθε ημέρα δηλαδή συνολικά 640 kwh. Θεωρήθηκαν επίσης απώλειες στο δίκτυο διανομής θερμού νερού του λέβητα, της αντλίας θερμότητας και διανομής της θέρμανσης περίπου 5%. Συνολικά για τη θέρμανση χώρου του κτιρίου, σύμφωνα με τη μελέτη, λαμβάνοντας υπόψη και τις απώλειες διανομής, θα απαιτούνται κατ έτος 33,8 MWh θερμότητας. Από αυτές 9,1 MWh (το 27% περίπου) σχετίζονται με την πρωινή αναθέρμανση του κτιρίου και θα προέρχονται από το λέβητα θερμού νερού. Οι υπόλοιπες 24,7 MWh ( το 73% περίπου) θα προέρχονται από τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας. Για τη λειτουργία αυτού του συστήματος θα απαιτούνται 5,1 MWh ηλεκτρικές (κίνηση του συμπιεστή της αντλία θερμότητας). Πρόσθετα 640 ηλεκτρικές kwh θα απαιτηθούν για την ανακυκλοφορία του νερού στη διάταξη ηλιακών συλλεκτών αποθήκης, 400 ηλεκτρικές kwh για την κυκλοφορία νερού στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας, 410 ηλεκτρικές kwh στη διανομή θέρμανσης και 75 ηλεκτρικές kwh στα βοηθητικά κυκλώματα (15 kwh στο κύκλωμα του λέβητα και 60 kwh στο δευτερεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας). Συνολικά λοιπόν για την ικανοποίηση των αναγκών θέρμανσης χώρου του κτιρίου θα καταναλωθούν: - 9,1 θερμικές MWh στο λέβητα του συστήματος - 5,1 ηλεκτρικές MWh για τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας (συμπιεστής) - 1,5 ηλεκτρικές MWh για τις αντλήσεις στα κυκλώματα νερού Στον πίνακα 2.5, παρουσιάζονται οι ετήσιες απαιτήσεις πρωτογενούς ενέργειας, η ετήσια παραγωγή ρύπων CO 2 και η ειδική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας για το προτεινόμενο σύστημα θέρμανσης και για σύστημα με αποκλειστικό παραγωγό θέρμανσης το λέβητα. Η απόδοση του λέβητα θεωρήθηκε ίση με 90,4% (ελάχιστη απόδοση λέβητα χαμηλών θερμοκρασιών ισχύος 90 kw σύμφωνα με το Π.Δ. 335/1993 ΦΕΚ143). Οι συντελεστές ΕΚΣΔ -39-

50 Κεφ. 2: Το σύστημα του Γυμνασίου Μ. Παναγίας και η πρόταση επεμβάσεων μετατροπής ενέργειας σε πρωτογενή και οι εκπομπές αερίων ρύπων υπολογίστηκαν σύμφωνα με τον Πίνακα 1.2 της Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. [17]. Σύμφωνα με τη μελέτη, η εγκατάσταση του μη συμβατικού μέρους της εγκατάστασης (αντλία θερμότητας, γεωθερμικό πεδίο, ηλιακοί συλλέκτες) αναμένεται να οδηγήσει το σύστημα σε επιπλέον εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας κατά 25% σε σχέση με σύστημα που βασίζεται αποκλειστικά σε έναν λέβητα χαμηλών θερμοκρασιών. Θα πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι η εξοικονόμηση αναμένεται σημαντικά μεγαλύτερη λόγω του ότι ο μέσος ετήσιος βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας αναμένεται να είναι σημαντικά υψηλότερος από την τιμή 4,8 που λήφθηκε υπόψη στους υπολογισμούς. Πίνακας 2.5 Σύγκριση τιμών ετήσιων απαιτήσεων σε πρωτογενή ενέργεια, παραγωγή ρύπων CO2 και ειδική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας για προτεινόμενο σύστημα θέρμανσης και για σύστημα με αποκλειστικό παραγωγό θέρμανσης το λέβητα. Σύστημα θέρμανσης: Προτεινόμενο υβριδικό σύστημα Σύστημα μόνο με λέβητα Ετήσιες απαιτήσεις πρωτογενούς ενέργειας 29,2 MWh 38,6 MWh Ειδική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας 22,8 kwh/m 2 30,0 kwh/m 2 Ετήσια παραγωγή ρύπων CO kg CO kg CO2 ΕΚΣΔ -40-

51 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS 3. Το περιβάλλον TRNSYS 3.1. Γενικά Το TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program) είναι ένα ολοκληρωμένο και επεκτάσιμο περιβάλλον προσομοίωσης δυναμικών ενεργειακών συστημάτων. Χρησιμοποιείται παγκοσμίως από μηχανικούς και ερευνητές τόσο για την επικύρωση νέων ενεργειακών σχεδιασμών όσο και για τον έλεγχο παλαιών. Οι σχεδιασμοί αυτοί μπορεί να περιλαμβάνουν από απλά συστήματα παραγωγής θερμού νερού μέχρι την προσομοίωση κτιρίων πολλαπλών ζωνών συμπεριλαμβανομένων των στρατηγικών ελέγχου τους και της συμπεριφοράς των κατοίκων τους. Με τη βοήθεια του TRNSYS συντάσσονται επίσης μελέτες εναλλακτικών συστημάτων ενέργειας όπως αιολικά, ηλιακά, φωτοβολταϊκά, συστήματα υδρογόνου κλπ. [18]. Στις αρχές του 1970 στο University of Wisconsin-Madison Solar Energy Lab και στο Colorado State University Solar Energy Applications Lab ξεκίνησαν έρευνες για ένα κοινό πρόγραμμα για να μελετηθούν οι αναδυόμενες τεχνολογίες ηλιακής ενέργειας [19]. Το σχετικό με ηλιακές εφαρμογές τμήμα του ERDA (Energy Research and Development Administration, το οποίο μετονομάστηκε στο σημερινό Department of Energy), χρηματοδότησε το έργο αυτό, το οποίο αφορούσε την κατασκευή ενός πρότυπου σπιτιού στο Κολοράντο, που θα αξιοποιούσε όλα τα νέα συστήματα ηλιακής ενέργειας. Κατά τη διδακτορική του διατριβή, ο S. Klein από το University of Wisconsin-Madison ανέπτυξε ένα λογισμικό στη γλώσσα προγραμματισμού Fortran για την πρόβλεψη της χρήσης ενέργειας του κτιριακού μοντέλου. Το πρόγραμμα αυτό ονομάστηκε TRNSYS και έγινε εμπορικά διαθέσιμο από το Έχουν περάσει περισσότερο από 35 χρόνια και το TRNSYS εξελίχθηκε στο αξιολογότερο εργαλείο ενεργειακής προσομοίωσης μετά από συνεχή ανάπτυξη από μια ομάδα που συγκροτείται από το Solar Energy Laboratory (SEL) του University of Wisconsin στο Madison, το Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) στη Γαλλία, το Transsolar Energietechnik GmBH στη Στουτγκάρδη της Γερµανίας και τους Thermal Energy Systems Specialists (TESS) στη Madison. Το TRNSYS ξεχωρίζει για τα γραφικά του, τη βιβλιοθήκη περίπου 150 τυποποιημένων στοιχείων δυναμικής προσομοίωσης, τις πρόσθετες βιβλιοθήκες που προσφέρουν επιπλέον άλλα 300 τυποποιημένα στοιχεία και μια παγκόσμια βάση χρηστών και διανομέων στη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ισπανία, τη Σουηδία, το Λουξεμβούργο, τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία [20]. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του TRNSYS είναι το γεγονός ότι ο πηγαίος κώδικας του προγράμματος καθώς και ο κώδικας των διαφόρων στοιχείων του, δίνονται στον χρήστη και αυτός μπορεί να τα τροποποιήσει κατάλληλα ώστε να εξυπηρετεί καλύτερα τις δικές του ανάγκες [21]. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής νέων στοιχείων που μπορεί ΕΚΣΔ -41-

52 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS να κατασκευάσει ο ίδιος ο χρήστης ή άλλοι προγραμματιστές χρησιμοποιώντας κοινές γλώσσες προγραμματισμού (C, C++, PASCAL, FORTRAN κ.α.). Αυτό είναι δυνατόν χάρη στην αρχιτεκτονική του προγράμματος στην οποία είναι βασισμένα στα αρχεία DLL. Επιπλέον, το TRNSYS μπορεί να συνδεθεί εύκολα με πολλές άλλες εφαρμογές για επεξεργασία πριν, μετά ή κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης (π.χ. Microsoft Excel, Matlab, COMIS κτλ.). Με το TRNSYS μπορούν να προσομοιωθούν: Ηλιακά συστήματα (θερμικά ηλιακά και φωτοβολταϊκά) Κτίρια και συστήματα κλιματισμού με προηγμένα χαρακτηριστικά του σχεδιασμού της ενέργειας (φυσικό αερισμό, θέρμανση / ψύξη μέσω δομικών στοιχείων, διπλες όψεις, κ.λπ.) Συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Συστήματα συμπαραγωγής και κυψέλες καυσίμου Οτιδήποτε απαιτεί δυναμική προσομοίωση 3.2. Δομή και περιβάλλον του TRNSYS Η δομή του ΤRNSYS αποτελείται από δύο μέρη: Τον πυρήνα (kernel) Τις βιβλιοθήκες των στοιχείων προσομοίωσης Το πρώτο μέρος, ο πυρήνας διαβάζει και επεξεργάζεται το αρχείο εισόδου, λύνει επαναληπτικά το σύστημα, καθορίζει τη σύγκλιση των τιμών και σχεδιάζει γραφικά της μεταβλητές του συστήματος. Ο πυρήνας συμβάλει στον προσδιορισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων, στην αντιστροφή πινάκων, στην εκτέλεση γραμμικών παλινδρομήσεων και στην παρεμβολή εξωτερικών αρχείων δεδομένων. Στο δεύτερο μέρος, στις βιβλιοθήκες του ΤRNSYS βρίσκονται τα στοιχεία προσομοίωσης, που προσομοιώνουν τη λειτουργία τμημάτων του συστήματος τα οποία επιθυμεί να μελετήσει ο χρήστης. Κάθε στοιχείο προσομοίωσης αποτελεί το υπολογιστικό μοντέλο του τμήματος που προσομοιώνει. Ο χρήστης επεμβαίνει στο υπολογιστικό μοντέλο καθορίζοντας τις παραμέτρους του μοντέλου και τις χρονικά εξαρτώμενες μεταβλητές εισόδου σε αυτό. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών, που γίνονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, παρέχονται από το στοιχείο ως μεταβλητές εξόδου. ΕΚΣΔ -42-

53 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Τα στοιχεία προσομοίωσης είναι κατασκευασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε οι χρήστες να είναι σε θέση να τροποποιήσουν τα υφιστάμενα στοιχεία ή να δημιουργήσουν τα δικά τους, επεκτείνοντας τις δυνατότητες του προγράμματος. Οι διαθέσιμες βιβλιοθήκες των στοιχείων προσομοίωσης του TRNSYS είναι η βασική βιβλιοθήκη, οι βιβλιοθήκες από τους TESS (Thermal Energy Systems Specialists) και η βιβλιοθήκη STEC (Solar Thermal Electric Components). Η βασική βιβλιοθήκη του TRNSYS περιέχει τις εξής κατηγορίες στοιχείων: 1. Ελεγκτές 2. Ηλεκτρικά στοιχεία 3. Εναλλάκτες θερμότητας 4. Συστήματα κλιματισμού 5. Συστήματα υδρογόνου 6. Υδρονικά στοιχεία 7. Φορτία και κατασκευές 8. Στοιχεία προηγούμενων εκδόσεων 9. Στοιχεία εξόδου 10. Φυσικά φαινόμενα 11. Ηλιακοί συλλέκτες 12. Αποθήκευση θερμότητας 13. Utility (Διάφορα στοιχεία προσομοίωσης) 14. Ανάγνωση και επεξεργασία καιρικών δεδομένων Οι διαθέσιμες βιβλιοθήκες TESS περιλαμβάνουν τα παρακάτω στοιχεία: 1. Εφαρμογών 2. Ελέγχου 3. Γεωθερμικών αντλιών θερμότητας 4. «Πράσινου» κτιρίου 5. Εδάφους 6. Κλιματισμού 7. Υδρονικά 8. Φορτίων και κατασκευών ΕΚΣΔ -43-

54 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS 9. Βελτιστοποίησης 10. Ηλιακών Συλλεκτών 11. Δοχείων αδρανείας 12. Utility 13. Συμπαραγωγής 14. Ηλιακά ψηλών θερμοκρασιών Η βιβλιοθήκη STEC αναπτύχθηκε από τις δραστηριότητες του SolarPACES [22], ενός προγράμματος του International Energy Agency (IEA) και οι χωρίζεται σε 3 τμήματα: 1. Rankine 2. Solar Thermal Element (STE) 3. Brayton Το τμήμα Rankine αποτελείται από διάφορα στοιχεία για την προσομοίωση ενός πλήρους κύκλου ατμοστροβίλου. Το τμήμα STE περιλαμβάνει στοιχεία σχετικά με τις τεχνολογίες συγκέντρωσης ηλιακής ακτινοβολίας. Το τμήμα Brayton περιέχει στοιχεία για την αναλυτική προσομοίωση συστημάτων που περιλαμβάνουν θερμικές στροβιλομηχανές. Επιπλέον, υπάρχουν μεμονωμένα στοιχεία προσομοίωσης που διανέμονται από την Trnssolar [23]. Το TRNSYS αποτελείται από την ακόλουθη ομάδα προγραμμάτων: Το TRNSYS Simulation Studio. Η μηχανή προσομοίωσης TRNDII.dII και το εκτελέσιμο αρχείο του TRNExe.exe. Το TRNBuild (TRNBuild.exe) που είναι το περιβάλλον εισόδου δεδομένων για το κτίριο. Τον Editor (TRNEdit.exe) που χρησιμοποιείται για να δημιουργεί αυτόνομα προγράμματα γνωστά ως εφαρμογές TRNSED. Το Simulation Studio είναι το βασικό γραφικό περιβάλλον (εικόνα 3.1) για τη δημιουργία των προγραμμάτων προσομοίωσης (projects). Τα προγράμματα αυτά δημιουργούνται χρησιμοποιώντας το ποντίκι, σέρνοντας στο παράθυρο εργασίας από την εργαλειοθήκη άμεσης πρόσβασης (που βρίσκεται στο δεξιό μέρος του παραθύρου) τα επιλεγόμενα στοιχεία προσομοίωσης (components ή types). Στην εργαλειοθήκη υπάρχουν τα στοιχεία από τις διάφορες βιβλιοθήκες του TRNSYS. Τα στοιχεία παριστάνονται με τα εικονίδιά τους στο παράθυρο εργασίας και αποτελούν τα πρότυπα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης του TRNSYS. ΕΚΣΔ -44-

55 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Οι πληροφορίες των TRNSYS projects αποθηκεύονται σε Trnsys Project File (*.tpf). Όταν εκτελείται μια προσομοίωση το Simulation Studio δημιουργεί ένα αρχείο εισόδου που περιέχει όλες τις πληροφορίες προσομοίωσης. Εικόνα 3.1 Το γραφικό περιβάλλον του TRNSYS Simulation Studio. Η προσομοίωση γίνεται σε χρονικά βήματα η διάρκεια των οποίων ορίζεται από τον χρήστη. Επιπλέον, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει το χρόνο έναρξης και λήξης της προσομοίωσης. Ένας διαχειριστής εξόδου δίνει τη δυνατότητα ελέγχου και επιλογής των μεταβλητών που θα ολοκληρωθούν, θα τυπωθούν και θα απεικονιστούν σε διάγραμμα κατά την προσομοίωση. Ένας διαχειριστής ελέγχου σφάλματος δίνει τη δυνατότητα μελέτης του τι ακριβώς έγινε σε μια προσομοίωση μετά το πέρας της. Άλλες λειτουργίες του Simulation Studio είναι η επεξεργασία αρχείων εισαγωγής δεδομένων, η δημιουργία νέων πρότυπων στοιχείων (types), η δημιουργία HTML αρχείων, η προβολή λιστών και αρχείων εξόδου, η εκτύπωση των αποτελεσμάτων, η απευθείας σύνδεση με online βοήθεια, η εκπόνηση παραμετρικών προσομοιώσεων, και η παροχή συντομεύσεων για διάφορες επαναλαμβανόμενες συνδέσεις όπως με περιβάλλον Fortran, C++. Η μηχανή προσομοίωσης του TRNSYS είναι προγραμματισμένη σε Fortran και η σύνταξή της γίνεται σε Windows Dynamic Link Libraby (TRNDLL). Ο πυρήνας του TRNSYS διαβάζει τις πληροφορίες της προσομοίωσης από το αρχείο εισόδου (που δημιουργείται από το Simulation Studio ή το TRNEdit). ΕΚΣΔ -45-

56 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Η μηχανή προσομοίωσης καλείται από το TRNExe.exe, το οποίο επίσης, εκτελεί και τον Online Plotter (Type 65), ένα χρήσιμο εργαλείο που επιτρέπει στον χρήστη να παρακολουθεί πολλές μεταβλητές εξόδου κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης (εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2 Το παράθυρο διαγραμμάτων που δημιουργείται από τον Online Plotter. Το TRNBuild είναι το πρόγραμμα εισαγωγής των δεδομένων ενός πολυζωνικού κτιρίου. Επιτρέπει στο χρήστη τον λεπτομερή καθορισμό όλων των κατασκευαστικών στοιχείων του κτιρίου, καθώς και ό,τι χρειάζεται για τον καθορισμό της θερμικής του συμπεριφοράς, όπως τα χαρακτηριστικά των υλικών που απαρτίζουν τα δομικά στοιχεία, τις οπτικές ιδιότητες των παραθύρων, το πρόγραμμα ψύξης και θέρμανσης που εφαρμόζεται στο κτίριο κτλ. Το γραφικό του περιβάλλον (εικόνα 3.3) διευκολύνει τη χρήση του και αυξάνει τις δυνατότητές του. Τα δεδομένα του πολυζωνικού κτιρίου που δημιουργείται από το χρήστη, καταγράφονται στο ειδικό αρχείο κειμένου ASCII με επέκταση.bui. Αυτό εισάγεται στο Simulation Studio από το ειδικό στοιχείο Type 56, το οποίο επιτρέπει την σύνδεση των δεδομένων εισαγωγής/εξαγωγής με τα υπόλοιπα στοιχεία της προσομοίωσης. Το πρόγραμμα TRNEdit είναι ένας ειδικός επεξεργαστής ο οποίος χρησιμοποιείται για τη δημιουργία και την επεξεργασία του αρχείο εισόδου δεδομένων. Χρησιμοποιείται από έμπειρους χρήστες καθώς δεν περιέχει το εύχρηστο γραφικό περιβάλλον του Simulation Studio. ΕΚΣΔ -46-

57 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Επιπρόσθετα, το TRNEdit μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία των εφαρμογών TRNSED, Οι εφαρμογές TRNSED διαθέτουν ειδικό γραφικό περιβάλλον και διανέμονται ελεύθερα και σε χρήστες που δεν έχουν άδεια χρήσης του λογισμικού TRSYS. Εικόνα 3.3 Το γραφικό περιβάλλον του TRNBuild Η προσομοίωση της δυναμικής θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Η προσομοίωση του κτιρίου μπορεί να γίνει: - Με συνδυασμό στοιχείων προσομοίωσης που το καθένα αντιστοιχεί σε ένα στοιχείο του κτιρίου (πχ. παράθυρο, τοίχος, θερμική ζώνη κ.α.), τα οποία βρίσκονται κυρίως στην κατηγορία φορτία και κατασκευές της βασικής βιβλιοθήκης του TRNSYS. - Με χρήση απλοποιημένων στοιχείων κτιρίου, όπως το Type 88 ή το Type 759 της βιβλιοθήκης TESS. - Με χρήση του Type 56 στο οποίο γίνεται εισαγωγή και επεξεργασία των δεδομένων του κτιρίου μέσω του TRNBuild. To TRNBuild είναι το πρόγραμμα που χρησιμοποιείται περισσότερο για την προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του κτιρίου διότι: είναι ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα προσομοίωσης πολυζωνικού κτιρίου, ΕΚΣΔ -47-

58 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS παρέχει πληθώρα δυνατοτήτων σε σχέση με τους άλλους τρόπους προσομοίωσης, η εισαγωγή των δεδομένων γίνεται μέσω ενός φιλικού για τον χρήστη, γραφικού περιβάλλοντος (εικόνα 3.4). Εικόνα 3.4 Διάγραμμα για την επεξεργασία των βασικών στοιχείων του TRNBuild. ΕΚΣΔ -48-

59 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Παρακάτω, γίνεται μια σύντομη περιγραφή για το μοντέλο υπολογισμού του πολυζωνικού κτιρίου (Type 56). Το Type 56 προσομοιώνει τη θερμική συμπεριφορά ενός κτηρίου το οποίο μπορεί να έχει έως και 25 θερμικές ζώνες, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση των ζωνών μεταξύ τους. Κάθε ζώνη περιγράφεται από τη θερμοχωρητικότητα της, την θερμοχωρητικότητα των στοιχείων που βρίσκονται σε αυτήν και από τον όγκο αέρα που περικλείει. Κάθε ζώνη αποτελεί έναν ξεχωριστό υπολογιστικό κόμβο (air node), στον οποίο αντιστοιχίζονται η θερμοχωρητικότητα και ο όγκος της ζώνης. Εικόνα 3.5 Κόμβος ζώνης αέρα [18]. Το συνολικό φορτίο δια συναγωγής στον κόμβο συμβολίζεται ως Q i και υπολογίζεται: όπου: - Q surf,i : Θερμικό φορτίο δια συναγωγής από τις επιφάνειες - Q inf,i : Θερμικό φορτίο λόγω φυσικής διείσδυσης αέρα - Q vent,i : Θερμικό φορτίο λόγω εξαναγκασμένου αερισμού - Q g,c,i : Θερμικό φορτίο δια συναγωγής από εσωτερικές πηγές (παρουσία ατόμων, συσκευών, τεχνητό φωτισμό, κτλ.) - Q cplg,i : Θερμικό φορτίο δια συναγωγής λόγω ροής αέρα από γειτονικές ζώνες. Για τον υπολογισμό των φορτίων, οι ρυθμοί φυσικής διείσδυσης αέρα και εξαναγκασμένου αερισμού μιας ζώνης δίνονται σε όρους εναλλαγής αέρα την ώρα. Ο ρυθμός της μεταφερόμενης μάζας αέρα καθορίζεται από τον όγκο της ζώνης, την πυκνότητα του αέρα και τις εναλλαγές αέρα. Ο αέρας που εισάγεται στο κτίριο με φυσική διείσδυση έχει την θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος, ενώ η θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα λόγω εξαναγκασμένου αερισμού είναι καθορισμένη από το χρήστη. Στις δύο αυτές περιπτώσεις ΕΚΣΔ -49-

60 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS θεωρείται ότι ίσα ποσά αέρα εισέρχονται και εξέρχονται από τη ζώνη έχοντας θερμοκρασία ίδια με τη θερμοκρασία της ζώνης. Η μεταφορά μάζας αέρα που δέχεται μια ζώνη από μια γειτονική ζώνη προσομοιώνεται ως μεταφορά θερμότητας από ή προς τον κόμβο του αέρα της ζώνης. Το σύνολο της θερμότητας δια ακτινοβολίας ανά ζώνη προέρχεται από την ακτινοβολία που διέρχεται από τα παράθυρα και προσπίπτει στους τοίχους και από εσωτερικά κέρδη που έχει ορίσει ο χρήστης (εικόνα 3.6), σύμφωνα με τη σχέση: - Q r,wi : Φορτία ακτινοβολίας στην επιφάνεια του τοίχου - Q g,r,wi : Εσωτερικά φορτία ακτινοβολίας που λαμβάνει ο τοίχος στη θερμική ζώνη - Q sol,wi : Ηλιακά κέρδη που λαμβάνει ο τοίχος από την ακτινοβολία που διέρχεται από τα παράθυρα - Q long,wi : Συναλλαγή ακτινοβολίας μεγάλου μήκους μεταξύ ενός τοίχου με τα παράθυρα και τους υπόλοιπους τοίχους - Q wall-gain : Κέρδη στην επιφάνεια τοίχων και παραθύρων που έχουν οριστεί από τον χρήστη Εικόνα 3.6 Ροή ενέργειας δια ακτινοβολίας θεωρώντας έναν τοίχο με τον κόμβο θερμοκρασίας της επιφάνειά του [18]. Η εικόνα 3.6 απεικονίζει τις ροές θερμότητας και θερμοκρασίας οι οποίες χαρακτηρίζουν τη θερμική συμπεριφορά ενός τοίχου ή ενός παραθύρου. Η ονοματολογία των μεταβλητών που χρησιμοποιούνται στην συγκεκριμένη εικόνα έχει ως εξής: ΕΚΣΔ -50-

61 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS - S s,i : Θερμότητα δια ακτινοβολίας που απορροφάται από την εσωτερική πλευρά - S s,ο : Θερμότητα δια ακτινοβολίας που απορροφάται από την εξωτερική πλευρά (ηλιακά κέρδη) - q r,s,i : Καθαρή μεταφορά θερμότητας δια ακτινοβολίας με όλες τις άλλες επιφάνειες της ζώνης - q r,s,ο : Καθαρή μεταφορά θερμότητας δια ακτινοβολίας με όλες τις ορατές επιφάνειες από την εξωτερική πλευρά - q w,g,i : Ροή θερμότητας στον τοίχο ή στο παράθυρο, καθορισμένη από τον χρήστη - q s,i : Μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής στην εσωτερική επιφάνεια του τοίχου - q s,ο : Μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής στην εξωτερική επιφάνεια του τοίχου - q c,s,i : Μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής από την εσωτερική επιφάνεια του τοίχου στον άερα της ζώνης - q c,s,ο : Μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής στην εξωτερική επιφάνεια από τον αέρα του περιβάλλοντος - T s,i : Θερμοκρασία εσωτερικής επιφάνειας -T s,ο : Θερμοκρασία εσωτερικής επιφάνειας Οι τοίχοι προσομοιώνονται σύμφωνα με τις συναρτήσεις μεταφοράς θερμότητας των Mitalas και Arseneault, καθορισμένες από επιφάνεια σε επιφάνεια. Το χρονικό βήμα επίλυσης αυτών είναι το χρονικό βήμα προσομοίωσης του κτιρίου, το οποίο καθορίζεται από τον χρήστη μέσω του TRNBuild. H μέση ροή θερμότητας για το χρονικό βήμα του τοίχου είναι ίση με τις μέσες ροές θερμότητας που υπολογίζονται με τις μέσες τιμές της θερμοκρασίας για το χρονικό βήμα της προσομοίωσης. Εικόνα 3.7 Ροή θερμότητας και θερμοκρασία επιφανειών [18]. Τα παράθυρα θεωρούνται ως εξωτερικοί τοίχοι χωρίς θερμική μάζα, μερικώς διαπερατά από την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά δεν συνυπολογίζονται τα εσωτερικά κέρδη από τη μεγάλου ΕΚΣΔ -51-

62 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS μήκους ακτινοβολία. Η απορρόφηση λοιπόν της ακτινοβολίας μεγάλου μήκους γίνεται μόνο από τις επιφάνειες μιας ζώνης. Στο στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου (μοντέλο 56) χρησιμοποιείται ένα λεπτομερές υπολογιστικό μοντέλο υαλοπινάκων (εικόνα 3.8), το οποίο χρησιμοποιεί δεδομένα από το πρόγραμμα WINDOWS 4.1, το οποίο αναπτύχθηκε από το Lawrence Berkeley Laboratory, USA. Σύμφωνα με αυτό, τα παράθυρα μπορούν να αποτελούνται από έξι το πολύ ανεξάρτητες επιφάνειες έχοντας ανάμεσά τους έως και πέντε διαφορετικά αέρια. Κάθε επιφάνεια παραθύρου περιγράφεται από τον δικό της κόμβο, ενώ η εσωτερική επιφάνεια συνδέεται με τον κόμβο της ζώνης. Η εξωτερική επιφάνεια συνδέεται μέσω της μεταφοράς θερμότητας με την θερμοκρασία περιβάλλοντος και μέσω της ανταλλαγής ηλιακής ακτινοβολίας με την ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού. Για κάθε επιφάνεια, η θερμοκρασία υπολογίζεται με βάση τη διαπερατότητα, την απορρόφηση και την αντανάκλαση της άμεσης και διάχυτης εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, τη διάχυτη ακτινοβολία μικρού μήκους, ακτινοβολία η οποία αντανακλάται από τους τοίχους της ζώνης, τη μεταφορά θερμότητας δια μέσου αγωγής, συναγωγής και ακτινοβολίας μεγάλου μήκους, μεταξύ των ανεξάρτητων επιφανειών του παραθύρου και του εσωτερικού χώρου και του περιβάλλοντος. Εικόνα 3.8 Λεπτομερές μοντέλο υαλοπίνακα [18]. Οι δυνατότητες του TRNBuild γίνονται καλύτερα αντιληπτές από την παρακάτω περιγραφή των στοιχείων του γραφικού περιβάλλοντος. Στην καρτέλα Project ορίζονται: i. Ιδιότητες του κτιρίου. Οι ιδιότητες περιλαμβάνουν τις τιμές σταθερών όπως αυτή του Stephan Boltzmann, την πυκνότητα του αέρα καθώς και τιμές συντελεστών για τον υπολογισμό της μετάδοσης ΕΚΣΔ -52-

63 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS θερμότητας. Οι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας είναι της μορφής αconv=const(tsurf- Tair) exp. Στην καρτέλα πρέπει να δοθούν οι συντελεστές const και exp για την καλύτερη προσαρμογή στα διάφορα θεωρητικά μοντέλα. ii. Οι προσανατολισμοί για τους τοίχους και τα παράθυρα. Μπορούν να επιλεγούν οι συνήθεις προσανατολισμοί που ήδη υπάρχουν ή να καθορισθούν νέοι δίνοντας ένα όνομα για τον καθένα. Με την επιλογή ενός νέου προσανατολισμού δημιουργούνται νέες είσοδοι στο στοιχείο του κτιρίου για τον καθορισμό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε αυτόν. iii. Οι επιθυμητές έξοδοι του στοιχείου του κτιρίου και οι επιπλέον είσοδοι. Οι επιπλέον είσοδοι ορίζονται στην περίπτωση που η τιμή μιας μεταβλητής καθορίζεται από ένα άλλο στοιχείο που χρησιμοποιείται στην προσομοίωση. Οι έξοδοι που μπορεί να έχει το στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου είναι πολλές και συγκεκριμένες, και αφορούν: - κάθε ζώνη ξεχωριστά, ή ένα σύνολο ζωνών, - κάθε επιφάνεια ξεχωριστά ή το σύνολο των επιφανειών και - ενεργειακά ισοζύγια σε επιφάνειες ή ζώνες μεμονωμένα ή στο σύνολό τους. Οι θερμικές ζώνες εμφανίζονται στο παράθυρο TRNBuild Manager. Για την προσθήκη μιας ζώνης επιλέγεται η εντολή Add zone από την καρτέλα Zone που βρίσκεται στη γραμμή μενού στο επάνω μέρος του παραθύρου και ορίζεται το όνομα αυτής. Η εισαγωγή των δεδομένων των ζωνών γίνεται κάνοντας κλικ σε αυτές στο παράθυρο TRNBuild Manager, έτσι ώστε να εμφανιστεί το παράθυρο επεξεργασίας της κάθε ζώνης. Από το παράθυρο αυτό καθορίζονται: i. Τα δεδομένα των τοίχων. Τα δεδομένα για τους τοίχους εισάγονται στο αριστερό μέρος του παραθύρου, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.9. Συγκεκριμένα, καθορίζονται οι διαστάσεις, ο προσανατολισμός, το είδος (υλικά) και η κατηγορία του τοίχου. Οι κατηγορίες ενός τοίχου μπορεί να είναι: - External - εξωτερικός, - Adjacent - παρακείμενος σε άλλη ζώνη, - Boundary - με οριακές συνθήκες ή - Internal - εσωτερικός (που υπολογίζεται μόνο σαν θερμική μάζα) ΕΚΣΔ -53-

64 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Ορίζονται επιπλέον ο συντελεστής θέασης του τοίχου από τον ουρανό, ο συντελεστής κατανομής της εισερχόμενης ακτινοβολίας (geosurf) και τυχόν επιπρόσθετα φορτία του τοίχου. Το είδος του τοίχου μπορεί να επιλεγεί από τις παρεχόμενες βιβλιοθήκες του TRNSYS ή να περιγραφεί από το χρήστη μέσω του διαχειριστή τοίχων στο άνω μέρος του κεντρικού παραθύρου. Εικόνα 3.9 Το παράθυρο επεξεργασίας ζωνών. ii. Τα δεδομένα των παραθύρων. Τα παράθυρα μπορούν να τοποθετηθούν σε εξωτερικούς τοίχους και σε τοίχους παρακείμενους σε άλλες ζώνες αλλά και ως ξεχωριστά παράθυρα από την επιλογή additional windows. Τα δεδομένα εισάγονται στο δεξιό μέρος του παραθύρου επεξεργασίας της ζώνης, απ όπου καθορίζονται τα παρακάτω δεδομένα: - Το είδος των παραθύρων - Οι διαστάσεις ΕΚΣΔ -54-

65 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS - Η κατηγορία (όπως και στους τοίχους) - Ο συντελεστής κατανομής της εισερχόμενης ακτινοβολίας (geosurf) - Ο μηχανισμός σκίασης - Ο συντελεστής θέασης του παραθύρου από τον ουρανό - Επιπρόσθετα φορτία - Ο προσανατολισμός Το είδος του παραθύρου επιλέγεται από τις παρεχόμενες βιβλιοθήκες του TRNSYS ή καθορίζεται εκ νέου από το χρήστη με χρήση του προγράμματος WINDOWS 4.1 που αναπτύχθηκε από το Lawrence Berkeley Laboratory. iii. Η μέθοδος θέρμανσης κάθε ζώνης. Από το εικονίδιο Heating στο άνω μέρος το παραθύρου επεξεργασίας της ζώνης καθορίζεται η μέθοδος θέρμανσης. Τα απαραίτητα στοιχεία για τον καθορισμό της είναι: - Η επιθυμητή θερμοκρασία του δωματίου κάτω από την οποία λειτουργεί η θέρμανση στη ζώνη - Η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδοθεί στη ζώνη για θέρμανση - Η κατανομή της αποδιδόμενης ισχύος σε ακτινοβολία και συναγωγή. - Η επιθυμητή σχετική υγρασία στη ζώνη (σε περίπτωση που λαμβάνονται υπόψη και τα λανθάνοντα φορτία ψύξης). Με τη μέθοδο θέρμανσης υπολογίζεται η απαιτούμενη ενέργεια στην περίπτωση ιδανικής λειτουργίας του εξοπλισμού. Επιπλέον, αν επιλεγεί απεριόριστη ισχύς θέρμανσης αντί μιας πεπερασμένης τιμής ισχύος, τότε μπορεί ο χρήστης, από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, να βρει την μέγιστη απαιτούμενη ισχύ θέρμανσης του κτιρίου. Σε περίπτωση που ο εξοπλισμός θέρμανσης μοντελοποιείται εξωτερικά του στοιχείου 56, τότε δεν πρέπει να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της θέρμανσης, αλλά να ορισθούν ως είσοδοι στο στοιχείο 56 η θερμοκρασία, η υγρασία και οι εναλλαγές του αέρα, που υπολογίζονται από το στοιχείο του εξοπλισμού, ή εναλλακτικά να ορισθούν ως κέρδη της ζώνης η θερμότητα δια συναγωγής και ακτινοβολίας που παρέχεται από τον εξοπλισμό. iv. Η μέθοδος ψύξης της ζώνης. Αντίστοιχα με την μέθοδο θέρμανσης καθορίζεται και η μέθοδος ψύξης της ζώνης στο εικονίδιο Cooling. Η μόνη διαφορά εντοπίζεται στην επιλογή της θερμοκρασίας της ζώνης πάνω από την οποία ενεργοποιείται η λειτουργία του εξοπλισμού για την ψύξη του χώρου. Τα υπόλοιπα στοιχεία της ψύξης εισάγονται όπως και στη θέρμανση. ΕΚΣΔ -55-

66 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS v. Η διείσδυση του αέρα. Ο ρυθμός εναλλαγών αέρα λόγω διείσδυσης, το φορτίο του οποίου θα συνυπολογιστεί για τη συγκεκριμένη ζώνη, καθορίζεται στο εικονίδιο Infiltration. Ο αέρας εισέρχεται στη ζώνη με την θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος που δίνονται ως μεταβλητές εισόδου στο Type 56. vi. Η μέθοδος αερισμού κάθε ζώνης. Στο εικονίδιο Ventilation μπορεί να καθορισθεί η εισροή αέρα από οποιαδήποτε πηγή (π.χ. από μια μονάδα κλιματισμού). Για τον ορισμό μιας μεθόδου αερισμού εισάγεται: - ο ρυθμός εναλλαγής αέρα, - η θερμοκρασία και - η σχετική υγρασία του εισερχόμενου αέρα. Μπορεί αντί της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας να οριστεί ότι ο αέρας εισέρχεται με τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος. vii. Τα εσωτερικά φορτία κάθε ζώνης. Στην κατηγορία Gains περιλαμβάνονται - Τα φορτία από την παρουσία ανθρώπων. - Τα φορτία από υπολογιστές. - Τα φορτία λόγω τεχνητού φωτισμού. - Κάθε άλλο επιπλέον φορτίο που ορίζεται από το χρήστη. Το παράθυρο των εσωτερικών κερδών, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.10, είναι διαμορφωμένο έτσι ώστε να διευκολύνεται η εισαγωγή φορτίων από άτομα, υπολογιστές και φωτισμό. Για το φορτίο από την παρουσία ανθρώπων δίνεται πίνακας για την εργασία που εκτελούν τα άτομα στο χώρο με βάση τις προδιαγραφές ISO 7730 (εικόνα 3.11) ή VDI Το φορτίο των υπολογιστών καθορίζεται από λίστα σύμφωνα με την ισχύ τους. Ο τεχνητός φωτισμός επιλέγεται από λίστα, η εγκατεστημένη ισχύς σε W/m 2 και το είδος του λαμπτήρα μαζί με το μέρος της ισχύος που μεταδίδεται στον αέρα μέσω συναγωγής. Το πεδίο scale αναφέρεται στον αριθμό ατόμων ή υπολογιστών ενώ στην περίπτωση του φωτισμού λαμβάνει τιμές 0 ή 1 καθορίζοντας έτσι το πότε ανάβει και σβήνει ο φωτισμός. Εναλλακτικά για τον φωτισμό μπορεί να οριστεί στρατηγική ελέγχου από το αντίστοιχο πεδίο control strategy. ΕΚΣΔ -56-

67 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Επιπλέον εσωτερικά κέρδη της ζώνης καθορίζονται στο κάτω μέρος του παραθύρου. Ο ορισμός ενός θερμικού κέρδους απαιτεί την εισαγωγή της ισχύος που μεταδίδεται στη ζώνη μέσω συναγωγής, ακτινοβολίας και της απόλυτης υγρασίας που παράγεται. Εικόνα 3.10 Παράθυρο εισαγωγής των φορτίων από άτομα, φωτισμό και συσκευές. Εικόνα 3.11 Πίνακας με φορτίο των με βάση τις προδιαγραφές ISO ΕΚΣΔ -57-

68 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS viii. Επιλογή συνυπολογισμού της θερμικής άνεσης σε μία ζώνη. Η θερμική άνεση είναι προαιρετική και ορίζεται στο εικονίδιο Comfort στο άνω μέρος του παραθύρου. Για τον καθορισμό της εισάγεται: - Ο συντελεστής ένδυσης, ανάλογα με την ένδυση των ατόμων στο χώρο - Ο ρυθμός μεταβολισμού, ανάλογα με την δραστηριότητα των ατόμων στο χώρο - Το εξωτερικό έργο, το οποίο συνήθως είναι περίπου μηδέν - Η σχετική ταχύτητα του αέρα στο χώρο. Το μοντέλο βασίζεται στις προδιαγραφές ISO 7730 για διάφορες τιμές του συντελεστή ένδυσης, για συνηθισμένους τύπους ένδυσης και για τον μεταβολικό ρυθμό για συνήθεις εργασίες. Στο άνω μέρος του κεντρικού παραθύρου του προγράμματος TRNBuild υπάρχουν τα εικονίδια των διαχειριστών διαφόρων τύπων. Οι διαχειριστές είναι: α) Θέρμανσης β) Ψύξης γ) Αερισμού δ) Διείσδυσης αέρα ε) Εσωτερικών φορτίων στ) Θερμικής άνεσης ζ) Τοίχων η) Παραθύρων θ) Στρώσεων υλικών των τοίχων ι) Χρονοδιαγραμμάτων Από τους διαχειριστές αυτούς οι έξι πρώτοι χρησιμεύουν στην διαχείριση και στην επεξεργασία των μεθόδων των αντίστοιχων διεργασιών που έχουν εισαχθεί σε κάθε ζώνη. Οι υπόλοιποι διαχειριστές περιγράφονται παρακάτω. i. Διαχειριστής τοίχων (Wall Type Manager) (εικόνα 3.12) Μέσω αυτού ορίζονται οι τοίχοι του κτιρίου. Αυτό γίνεται επιλέγοντας: - τις στρώσεις των υλικών που αποτελείται ο τοίχος, - το πάχος κάθε στρώσης, ΕΚΣΔ -58-

69 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS - τους συντελεστές απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας και - τους συντελεστές μετάδοσης θερμότητας για κάθε μια από τις δύο επιφάνειες του τοίχου (μπορεί να επιλεγεί ο υπολογισμός του από το πρόγραμμα). Εικόνα 3.12 Το παράθυρο του διαχειριστή τοίχων. ii. Διαχειριστής στρώσεων υλικών (Layer Type Manager) Ο διαχειριστής αυτός επιτρέπει την επεξεργασία και εισαγωγή νέων στρώσεων υλικών για τους τοίχους. Για την κάθε στρώση καθορίζεται: - η αγωγιμότητα (kj/hmk), - η ειδική θερμότητα (kj/kgk) και - η πυκνότητα (kg/m 3 ) του υλικού της στρώσης. iii. Διαχειριστής παραθύρων (Window Type Manager) Με αυτό το διαχειριστή είναι δυνατή η επεξεργασία και δημιουργία νέων παραθύρων. Κάθε παράθυρο ορίζεται ως συνδυασμός των ήδη υπαρχόντων υαλοπινάκων με ήδη υπάρχοντα πλαίσια. Επιπρόσθετα, επιλέγεται η επιπλέον θερμική αντίσταση από εσωτερικά ή εξωτερικά σκίαστρα. ΕΚΣΔ -59-

70 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS Οι υαλοπίνακες ορίζονται με την αρίθμηση που έχουν λάβει από την βιβλιοθήκη του λογισμικού Windows 4.1 του Lawrence Berkeley Laboratory in USA και συνεπώς το όνομα (ID number) του υαλοπίνακα που επιθυμούμε να εισάγουμε πρέπει να υπάρχει στη βιβλιοθήκη. H τιμή των συντελεστών θερμοπερατότητας του υαλοπίνακα u και ηλιακού θερμικού κέρδους g διαβάζονται από την βιβλιοθήκη. Από το χρήστη καθορίζονται: - Το πλαίσιο του υαλοπίνακα από την παρεχόμενη λίστα - Το ποσοστό της επιφάνειας του παραθύρου που καταλαμβάνει το πλαίσιο - Ο συντελεστής ανάκλασης - Ο ολικός συντελεστής θερμοπερατότητας U του πλαισίου (kj/hm 2 K) Η τιμή του συντελεστή U πρέπει να εισαχθεί χωρίς να συνυπολογίζονται οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας δια συναγωγής της εξωτερικής και της εσωτερικής επιφάνειας γιατί αυτοί εισάγονται ξεχωριστά για το σύνολο του παραθύρου. iv. Χρονοδιαγράμματα Μπορούν να ορισθούν ημερήσια και εβδομαδιαία προγράμματα για την λειτουργία ή την ισχύ των συσκευών θέρμανσης, ψύξης και των διαφόρων φορτίων. Στα ημερήσια επιλέγονται τα χρονικά διαστήματα κατά την διάρκεια της ημέρας και η αντίστοιχη επιθυμητή τιμή. Στα εβδομαδιαία επιλέγονται τα ημερήσια προγράμματα που χρησιμοποιούνται κάθε ημέρα στην περίοδο μιας βδομάδας Η προσομοίωση των συστημάτων Η προσομοίωση των συστημάτων είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας του TRNSYS Studio, του πυρήνα του TRNSYS, του εκτελέσιμου προγράμματος TRNExe και της μηχανής προσομοίωσης TRNDll. Στο γραφικό περιβάλλον του TRNSYS Studio (εικόνα 3.13) δημιουργείται σε ένα project το ισοδύναμο λειτουργικό διάγραμμα του ενεργειακού συστήματος, εισάγοντας τα στοιχεία προσομοίωσης των συσκευών και των διατάξεων του συστήματος με τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχείων προσομοίωσης στο TRNSYS Studio γίνεται με σύνδεση των μεταβλητών εισόδου και εξόδου. Τέλος, από τα στοιχεία ελέγχου της προσομοίωσης ρυθμίζονται τα χαρακτηριστικά της (έναρξη, λήξη, χρονικό βήμα, μέθοδος υπολογισμού κ. ά.) και επιτυγχάνεται η διακριτοποίησή της. Αφού καταστρωθεί το ισοδύναμο λειτουργικό διάγραμμα στο TRNSYS Studio παράγεται ένα αρχείο με όλες τις πληροφορίες της προσομοίωσης «μεταφρασμένες» από το γραφικό περιβάλλον σε κώδικα Fortran. Ο πυρήνας διαβάζει αυτό το αρχείο. Έπειτα, το εκτελέσιμο ΕΚΣΔ -60-

71 Κεφ. 3: Το περιβάλλον TRNSYS πρόγραμμα (TRNExe) καλεί τη μηχανή προσομοίωσης (TRNDll) και κάνει τους απαραίτητους υπολογισμούς για την ολοκλήρωση της προσομοίωσης. Εισαγωγή και σύνδεση στοιχείων Βιβλιοθήκες στοιχείων προσομοίωσης Στοιχεία ελέγχου Εισαγωγή χαρακτηριστικών στοιχείου Σύνδεση στοιχείων Εικόνα 3.13 Το γραφικό περιβάλλον του TRNSYS Studio. ΕΚΣΔ -61-

72 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα 4. Κλιματικά δεδομένα και γεωλογικές παράμετροι 4.1. Η πλατφόρμα METEONORM Το METEONORM [24] είναι ένα λογισμικό δημιουργίας κλιματικών δεδομένων για όλες τις περιοχές του κόσμου. Η βάση δεδομένων της METEONORM αποτελείται από μετρήσεις που πραγματοποιούνται σε 8300 σταθμούς στον κόσμο. Με τη χρήση της πλατφόρμας METEONORM είναι δυνατή η δημιουργία αρχείων δεδομένων κλίματος ενός τυχαίουστοχαστικού έτους μιας συγκεκριμένης τοποθεσίας. Τα αρχεία που δημιουργούνται δεν είναι αρχεία δεδομένων ενός πραγματικού έτους, αλλά ενός «έτους αναφοράς», όπως ονομάζεται. Η πλατφόρμα METEONORM: - Χρησιμοποιείται από σχεδιαστές ενεργειακών ή φωτοβολταϊκών συστημάτων όταν είναι απαραίτητο να πραγματοποιήσουν προσομοιώσεις με προγράμματα όπου απαιτούνται ωριαίες τιμές κλιματικών δεδομένων. - Δίνει πληροφορίες σε οποιονδήποτε θέλει να πραγματοποιήσει μια έρευνα ή μελέτη η οποία απαιτεί τη γνώση κλιματικών δεδομένων (π.χ. περιβαλλοντικές μελέτες). Η πλατφόρμα METEONORM καλύπτει πληθώρα εφαρμογών. Για αυτό το λόγο η μορφή των δεδομένων που παράγει δεν είναι συγκεκριμένη αλλά δομείται ανάλογα με τις απαιτήσεις του χρήστη. Η κύρια χρήση του προγράμματος είναι για τον υπολογισμό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε μια επιφάνεια με δεδομένο προσανατολισμό και δεδομένη κλίση, που είναι τοποθετημένη σε μια τοποθεσία με γνωστές συντεταγμένες. Η μέθοδος υπολογισμού βασίζεται στο συνδυασμό των βάσεων δεδομένων που ήδη υπάρχουν (μετρήσεις από τους σταθμούς) και σε μια σειρά αλγορίθμων για παρεμβολές και εκτιμήσεις μεγεθών. Η εκκίνηση της διαδικασίας γίνεται με την εισαγωγή των χαρακτηριστικών της τοποθεσίας (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και υψόμετρο). Η διαδικασία λήγει με τη δημιουργία του αρχείου που περιέχει τα κλιματικά δεδομένα, σε μορφή καθορισμένη από το χρήστη. Διαδικασία υπολογισμού Η διαδικασία δημιουργίας του έτους αναφοράς στην πλατφόρμα METEONORM περιλαμβάνει δύο βήματα. 1. Στο πρώτο βήμα γίνεται η επιλογή των πλησιέστερων σταθμών των οποίων τα δεδομένα θα χρησιμοποιηθούν. Επίσης, γίνεται η επεξεργασία αυτών των δεδομένων (παρεμβολές, διορθώσεις κτλ.) με στόχο την παραγωγή μέσων τιμών των μεγεθών (προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία κτλ.). Όταν οι αποστάσεις των γειτονικών σταθμών μεταξύ του ή σε σχέση με την υπό μελέτη τοποθεσία είναι μεγάλες παρατηρούνται μεγάλες διαφορές ανάμεσα στα συλλεγμένα στοιχεία. Σε αυτές τις περιπτώσεις γίνεται διόρθωση των τιμών με ΕΚΣΔ -62-

73 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα πρόσθετα δεδομένα, που έχουν συλλεγεί με τη βοήθεια δορυφόρων. Το μοντέλο του αλγορίθμου συνυπολογίζει τη διαφορά υψομέτρου μεταξύ των τοποθεσιών. 2. Στο δεύτερο βήμα γίνεται η παραγωγή κλιματικών δεδομένων σε ωριαία βάση από τις μηνιαίες τιμές των μεγεθών που προέκυψαν στο πρώτο βήμα. Για κάθε παράμετρο παράγονται 8760 εγγραφές, όσες και οι ώρες ενός έτους με 365 ημέρες. Σε κάποιες περιπτώσεις παράγονται τιμές ανά λεπτό. Η ωριαία τιμή του κάθε μεγέθους προκύπτει από τη μέση τιμή του μεγέθους κατά τη διάρκεια της ώρας που προηγείται. Για παράδειγμα, η τιμή που παράγεται στις 11:00 είναι η μέση τιμή του χρονικού διαστήματος 10:00-11:00. Όταν η υπό μελέτη τοποθεσία έχει απόσταση μικρότερη των 50 χιλιομέτρων από κάποιον γειτονικό της σταθμό, τότε θεωρείται ότι οι δύο περιοχές παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά, όσον αφορά τις καιρικές συνθήκες. Σε διαφορετική περίπτωση ακολουθείται η διαδικασία υπολογισμού που περιεγράφηκε προηγουμένως. Χρήση του προγράμματος Η διαδικασία από την εισαγωγή των δεδομένων μέχρι τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων χωρίζεται σε πέντε στάδια. Στην εικόνα 4.1 παρουσιάζονται οι καρτέλες εισαγωγής των δεδομένων (στάδιο 1 έως 4), ενώ η εικόνα 4.2 απεικονίζει την παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Η διαδικασία είναι η εξής: 1. Επιλογή της τοποθεσίας για την οποία το πρόγραμμα θα εκτελέσει υπολογισμούς. Στο πάνω δεξιά μέρος της εικόνας 4.1 απεικονίζεται η καρτέλα εισαγωγής των συντεταγμένων της τοποθεσίας. Αριστερά, με κέντρο τη Μεγάλη Παναγία, παρουσιάζονται οι γειτονικές τοποθεσίες με χρώματα που καθορίζουν την ιδιότητά τους. Δίνονται συνολικά πέντε επιλογές, οι οποίες είναι: - παρεμβαλλόμενες πόλεις (κόκκινο) - μετεωρολογικοί σταθμοί (πράσινο) - μετεωρολογικοί σταθμοί χωρίς μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας (μπλε) - τοποθεσίες με δεδομένα σχεδιασμού ενός έτους αναφοράς (κίτρινο) - τοποθεσίες ορισμένες από το χρήστη (καφέ), για τις οποίες δίνονται μόνο οι συντεταγμένες τους. 2. Τροποποίηση των ρυθμίσεων για την τοποθεσία και την εξεταζόμενη επιφάνεια. Σε αυτό το στάδιο εισάγονται ο προσανατολισμός και η κλίση της επιφάνειας. Επίσης, καθορίζεται το ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας από την επιφάνεια της γης στον ουρανό. Οι υπόλοιπες ρυθμίσεις αφορούν το ανάγλυφο της γειτονικής περιοχής και τη θολότητα της ατμόσφαιρας. ΕΚΣΔ -63-

74 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Πρώτη καρτέλα: Εισαγωγή συντεταγμένων τοποθεσίας. Τρίτη καρτέλα: Επιλογή πηγής δεδομένων, χρονικής περιόδου και μεθόδων Τέταρτη καρτέλα: Επιλογή μορφής εξόδου αποτελεσμάτων. Δεύτερη καρτέλα: Προσανατολισμός και κλίση επιφάνειας και ποσοστό ανάκλασης. Εικόνα 4.1 Καρτέλες εισαγωγής δεδομένων [24]. ΕΚΣΔ -64-

75 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα 3. Προσαρμογή των ρυθμίσεων που αφορούν τα δεδομένα βάσει των οποίων θα γίνουν οι υπολογισμοί. Σε αυτή την καρτέλα ρυθμίζονται τα εξής: - Η πηγή της βάσης δεδομένων. Εάν υπάρχουν ήδη συλλεγμένα στοιχεία από το χρήστη, δίνεται εδώ η δυνατότητα να ληφθούν υπόψη. Αν δεν υπάρχουν, λαμβάνονται υπόψη οι υπάρχουσες βάσεις δεδομένων από τους γειτονικούς σταθμούς. - Η χρονική περίοδος που αποτελεί τη βάση σύμφωνα με την οποία θα πραγματοποιηθούν οι υπολογισμοί ( , ή μελλοντικά). Σε περίπτωση που επιλέγεται μελλοντική χρονική περίοδος, πρέπει να επιλεγεί και το σενάριο που θα χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη. Περαιτέρω ρυθμίσεις αφορούν το χρονικό βήμα, το χρονικό διάστημα εξαγωγής των αποτελεσμάτων και τις μεθόδους υπολογισμού των διάφορων παραμέτρων. 4. Επιλογή του τύπου του αρχείου εξόδου. Τα δεδομένα που λαμβάνονται από το λογισμικό Meteonorm χρησιμοποιούνται σε διάφορα προγράμματα προσομοίωσης αλλά και σε άλλες εφαρμογές. Σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιείται ένας διαφορετικός τύπος αρχείου όσον αφορά τα κλιματικά δεδομένα. Σε αυτή την ενότητα επιλέγεται η επιθυμητή μορφή του αρχείου εξόδου. 5. Υπολογισμός και εξαγωγή αποτελεσμάτων. Το τελευταίο στάδιο της διαδικασίας είναι η εξαγωγή και η παρουσίαση των υπολογισμένων μεγεθών. Στην εικόνα 4.2 παρουσιάζεται η μέση μηνιαία προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο για ένα έτος. Άλλες μεταβλητές εξόδου είναι η θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος, η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου, το ύψος βροχόπτωσης, η διάρκεια ακτινοβολίας κ. ά. Στα αποτελέσματα αναφέρονται και οι τοποθεσίες από τις οποίες ελήφθησαν τα κλιματικά δεδομένα ώστε να πραγματοποιηθεί η παρεμβολή και ο υπολογισμός των αποτελεσμάτων. Εικόνα 4.2 Πέμπτη καρτέλα: παραγωγή και παρουσίαση κλιματικών δεδομένων [24]. ΕΚΣΔ -65-

76 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα 4.2. Κλιματικά δεδομένα της Μεγάλης Παναγίας Κατά την προσομοίωση το λογισμικό TRNSYS χρησιμοποιεί ένα αρχείο TM2 που δημιουργήθηκε από την πλατφόρμα METEONORM. Τα μεγέθη που απαιτούνται στις προσομοιώσεις του TRNSYS είναι τα εξής: - Ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο και σε κεκλιμένο επίπεδο - Θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος - Διεύθυνση και ταχύτητα ανέμου - Σχετική υγρασία. Για το μέγεθος της θερμοκρασίας της Μεγάλης Παναγίας έγινε παρεμβολή στα δεδομένα των μετεωρολογικών σταθμών της Κοζάνης, της Θεσσαλονίκης και της Καστοριάς. Για το μέγεθος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο της Μεγάλης Παναγίας έγινε παρεμβολή στα δεδομένα των μετεωρολογικών σταθμών της Θεσσαλονίκης, του Sandanski και της Bitola. Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται τα δεδομένα αυτά, όπως προέκυψαν από τη METEONORM και χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις του TRNSYS. Τα δεδομένα συγκρίνονται με αυτά της Θεσσαλονίκης και με αυτά του Πολυγύρου. Για τη Θεσσαλονίκη τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέκυψαν από το TRNSYS, ενώ για τον Πολύγυρο λήφθηκαν οι τιμές της Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010 [25] Θερμοκρασίες αέρα περιβάλλοντος Αρχικά παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες και μέσες ετήσιες θερμοκρασίες του αέρα του περιβάλλοντος. Ο οικισμός της Μεγάλης Παναγίας ανήκει στο τμήμα της ορεινής Χαλκιδικής και έχει ορεινό κλίμα, με υψόμετρο 476 m. Κατατάσσεται στην ίδια κλιματική ζώνη με τη Θεσσαλονίκη (ζώνη Γ), σύμφωνα με τον Κ.Εν.Α.Κ., ωστόσο εμφανίζει χαμηλότερες θερμοκρασίες καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Στην εικόνα 4.3 και στον πίνακα 4.1 παρουσιάζονται τα διαγράμματα και οι τιμές των μέσων μηνιαίων θερμοκρασιών. Οι θερμοκρασίες της Μεγάλης Παναγίας βρίσκονται χαμηλότερα από αυτές τις Θεσσαλονίκης και του Πολυγύρου. Χαρακτηριστική είναι η μέση ετήσια θερμοκρασία, η οποία για τη Μεγάλη Παναγία είναι 14,05 ο C ενώ για τη Θεσσαλονίκη είναι 15,54 ο C. Ο πίνακας 4.2 δείχνει τις διαφορές ανάμεσα στις μέγιστες και τις ελάχιστες θερμοκρασίες των τριών τοποθεσιών. Χαρακτηριστική είναι η απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία, η οποία για τη Μεγάλη Παναγία είναι -5,65 ο C ενώ για τη Θεσσαλονίκη είναι -4,75 ο C. ΕΚΣΔ -66-

77 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι, ενώ ο Πολύγυρος ανήκει στη Δ κλιματική ζώνη, η απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία του είναι μεγαλύτερη κατά 1 ο C από αυτή της Θεσσαλονίκης και κατά 2 ο C από αυτή της Μεγάλης Παναγίας. Εικόνα 4.3 Μέση μηνιαία θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος. Πίνακας 4.1 Μέση μηνιαία και ετήσια θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος. Χρόνος Θερμοκρασία ( ο C) Ποσοστό απόκλισης (%) Μήνας Μεγάλη Παναγία Θεσσαλονίκη Πολύγυρος Μ. Παναγία από Θεσσαλονίκη Μ. Παναγία Πολύγυρο Ιανουάριος 3,45 4,87 4, Φεβρουάριος 4,72 6,58 4, Μάρτιος 8,12 9,54 8, Απρίλιος 12,11 14,03 12, Μάιος 18,10 19,54 16, Ιούνιος 22,54 23,94 22,4-6 1 Ιούλιος 25,57 26, Αύγουστος 25,13 25,89 24,1-3 4 Σεπτέμβριος 19,50 21,56 21, Οκτώβριος 14,94 16,18 15, Νοέμβριος 9,12 10,63 10, Δεκέμβριος 4,62 6,60 6, Έτος 14,05 15,54 14, Πίνακας 4.2 Μέση ημερήσια απόλυτη μέγιστη και απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος. Περιοχή Μεγάλη Παναγία Θεσσαλονίκη Πολύγυρος Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία ( o C) 36,35 36,45 33,4 Απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία ( o C) -5,65-4,75-3,7 από ΕΚΣΔ -67-

78 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Ηλιακή ακτινοβολία Ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο Στον πίνακα 4.3 δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές της ηλιακής προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο όπως προέκυψαν από τη METEONORM για τη Μεγάλη Παναγία και οι αντίστοιχες τιμές για τη Θεσσαλονίκη. Στον πίνακα 4.4 δίνονται οι συνολικές ετήσιες τιμές του ίδιου μεγέθους για τις δύο περιοχές. Πίνακας 4.3 Μέσες μηνιαίες τιμές προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Μήνας Περιοχή Μεγάλη Παναγία (W/m 2 ) Θεσσαλονίκη (W/m 2 ) Διαφορά (%) Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Έτος Πίνακας 4.4 Συνολική ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο. ΜΕΓΑΛΗ ΠΑΝΑΓΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Διαφορά (kwh/m 2 ) (%) Είναι εμφανές από τα δεδομένα ότι οι τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας στη Μεγάλη Παναγία είναι σημαντικά μεγαλύτερες από αυτές στη Θεσσαλονίκη. Αυτό οφείλεται στο αυξημένο υψόμετρο και, προφανώς, στη μεγαλύτερη καθαρότητα της ατμόσφαιρας του οικισμού της Μεγάλης Παναγίας. ΕΚΣΔ -68-

79 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στα πεδία των ηλιακών συλλεκτών Στις ηλιακές εφαρμογές γίνεται τις περισσότερες φορές μια διερεύνηση ως προς το βέλτιστο αζιμούθιο και τη βέλτιστη κλίση στην οποία πρέπει να τοποθετηθούν οι ηλιακοί συλλέκτες ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη αξιοποίηση του ηλιακού δυναμικού στη συγκεκριμένη εφαρμογή και στο συγκεκριμένο τόπο. Στην περίπτωση του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας οι επιφάνειες που είναι διαθέσιμες για την εγκατάσταση πεδίων ηλιακών συλλεκτών είναι η Νοτιοδυτική περιοχή της στέγης (αζιμούθιο 200 ο κλίση 20 ο ) και η Νοτιοανατολική περιοχή της στέγης (αζιμούθιο 110 ο κλίση 20 ο ) (εικόνα 4.4). Εικόνα 4.4 Διαθέσιμες επιφάνειες για την εγκατάσταση των ηλιακών συλλεκτών. Παρόλα αυτά η ανάπτυξη ενός πεδίου ηλιακών συλλεκτών μακριά από τη στέγη σε ιδανικό προσανατολισμό και κλίση θεωρήθηκε ότι θα έπρεπε επίσης να διερευνηθεί. Με υπολογισμούς της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στα πεδία των ηλιακών συλλεκτών επιχειρήθηκαν απαντήσεις στα παρακάτω ερωτήματα: Ποιος είναι ο θεωρητικά βέλτιστος προσανατολισμός και κλίση ενός πεδίου ηλιακών συλλεκτών στη συγκεκριμένη εφαρμογή; Ποια από τις δύο επιφάνειες της στέγης του κτιρίου είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση των πεδίων; Ποια είναι η απόκλιση ως προς την εκτιμώμενη απόδοση μεταξύ της υπό πραγματοποίηση εγκατάστασης και της βέλτιστης; ΕΚΣΔ -69-

80 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Οι απαντήσεις δόθηκαν με βάση τους υπολογισμούς του μεγέθους της συνολικής προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια των συλλεκτών σε ετήσια βάση, αφού η συλλογή και η αποθήκευση ενέργειας από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών γίνεται σε ετήσια βάση. 1. Θεωρητικά βέλτιστη κλίση και προσανατολισμός του πεδίου ηλιακών συλλεκτών Στον πίνακα 4.5 παρουσιάζονται οι υπολογισμοί που έγιναν για την ετήσια συνολική προσπίπτουσα ακτινοβολία για διαφορετικούς συνδυασμούς αζιμούθιο-κλίσης. Προέκυψαν βέλτιστες τιμές για ζεύγη αζιμούθιο-κλίσης: 190 ο -40 ο, 200 ο -40 ο, 180 ο -40 ο,190 ο -50 ο και 200 ο - 50 ο. Στη συνέχεια, έγινε περαιτέρω διερεύνηση στις ενδιάμεσες τιμές, ανά 2 ο, για καλύτερη προσέγγιση. Προέκυψε βέλτιστη κλίση 42 ο και αζιμούθιο 188 ο. Η συνολική ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στη βέλτιστη κλίση και στο βέλτιστο αζιμούθιο είναι ίση με 1831 kwh/m 2. Πίνακας 4.5 Συνολική ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία [kwh/m 2 ] για διαφορετικούς συνδυασμούς αζιμούθιο-κλίσης. az β 20 ο 30 ο 40 ο 50 ο 60 ο 110 ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο Επιλογή επιφάνειας για την εγκατάσταση του πεδίου Στον πίνακα 4.6 δίνονται οι τιμές της ετήσιας συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας στο βέλτιστο επίπεδο (αζιμούθιο 188 ο κλίση 42 ο ) και σε τρία άλλα επίπεδα, το οριζόντιο και αυτά των δύο περιοχών της υπάρχουσας στέγης. Από τα δεδομένα του πίνακα αυτού φαίνεται ότι η συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m 2 ) στο νοτιοδυτικό τμήμα της στέγης είναι μικρότερη μόνον κατά 4% περίπου από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στη βέλτιστη κλίση και στο βέλτιστο προσανατολισμό. Αντίθετα, η συνολική προσπίπτουσα ΕΚΣΔ -70-

81 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα ηλιακή ακτινοβολία στο νοτιοανατολικό τμήμα της στέγης είναι σημαντικά μικρότερη (15%) από αυτή στη βέλτιστη κλίση και στο βέλτιστο προσανατολισμό. Εφόσον, λοιπόν, υπήρχε απόφαση για την εγκατάσταση του πεδίου αποκλειστικά στη στέγη (η εγκατάσταση εκτός της στέγης απορρίφθηκε για λόγους αυξημένου κόστους) όλο το πεδίο καλό θα ήταν να αναπτυχθεί στο νοτιοδυτικό τμήμα της στέγης. Κάτι τέτοιο όμως είναι αδύνατο, λόγω της μικρής διαθέσιμης επιφάνειας του νοτιοδυτικού τμήματος της στέγης. Πίνακας 4.6 Σύγκριση θεωρητικά βέλτιστης με διαθέσιμες επιφάνειες εγκατάστης. Επίπεδο Συνολική ετήσια ακτινοβολία (kwh/m 2 ) Απόκλιση από βέλτιστο επίπεδο (%) Βέλτιστο Νοτιοδυτικό στέγης ,7 Νοτιοανατολικό στέγης ,1 Οριζόντιο Η τελική εγκατάσταση του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών, ένα στο νοτιοανατολικό τμήμα της στέγης, με κλίση 20 ο, και ένα στο νοτιοανατολικό τμήμα της στέγης, με κλίση 20 ο, σύμφωνα με την πρόταση, συνεπάγεται μια απόκλιση από τη μέγιστη πιθανή συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο πεδίο ίση με 9,4%. Αυτό δε μπορεί να θεωρηθεί απαγορευτικό Ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου Η μέση ταχύτητα και η επικρατούσα διεύθυνση του ανέμου της Μεγάλης Παναγίας σε μηνιαία βάση παρουσιάζεται στον πίνακα 4.7. Παρατηρείται ότι η κύρια διεύθυνση του ανέμου είναι η δυτική, ενώ η μέση ετήσια ταχύτητα του είναι 1,9 m/s. Πίνακας 4.7 Μηνιαίες τιμές ταχύτητας και επικρατούσας διεύθυνσης ανέμου. Μήνας Μέση ταχύτητα (m/s) Επικρατούσα διεύθυνση ( ο ) Ιανουάριος 1.91 Φεβρουάριος 2.22 Μάρτιος 2.30 Απρίλιος 1.81 Μάιος 1.72 Ιούνιος 2.01 Ιούλιος 2.11 Αύγουστος (Δυτική) Σεπτέμβριος (Νοτιοδυτική) Οκτώβριος 1.51 Νοέμβριος 1.60 Δεκέμβριος ΕΚΣΔ -71-

82 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα Σχετική υγρασία ατμόσφαιρας Στην πίνακα 4.8 παρουσιάζεται η σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας της Μεγάλης Παναγίας. Διαπιστώνεται ότι, σε ετήσια βάση, ο μέσος όρος της είναι ίσος με 64.7%. Πίνακας 4.8 Σχετική υγρασία σε μηνιαία βάση. Μήνας Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαϊ Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Σχετική υγρασία (%) Βαθμοημέρες θέρμανσης Έγιναν οι υπολογισμοί των βαθμοημερών θέρμανσης στη Μεγάλη Παναγία με θερμοκρασία βάσης Tb=18 ο C. Τα αποτελέσματα δίνονται στον πίνακα 4.9 παράλληλα με αυτά της Θεσσαλονίκη και του Πολυγύρου. Η περιοχή της Μεγάλης Παναγίας έχει μεγαλύτερο αριθμό βαθμοημερών θέρμανσης σε σχέση με τη Θεσσαλονίκη εξαιτίας του ψυχρότερου κλίματός της, που οφείλεται κυρίως στο μεγάλο υψόμετρό της. Πίνακας 4.9 Μηνιαίες τιμές βαθμοημερών θέρμανσης με θερμοκρασία βάσης Tb=18 ο C. Μήνας Μεγάλη Παναγία Θεσσαλονίκη Πολύγυρος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Σύνολο ΕΚΣΔ -72-

83 Κεφ. 4: Κλιματικά δεδομένα 4.3. Γεωλογικές παράμετροι Η αποτελεσματική λειτουργία του υπεδαφικού σχηματισμού ως αποθήκη θερμότητας εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού του εδάφους (συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, συντελεστής θερμικής διαχυτότητας, ειδική θερμότητα). Κύρια παράμετρος είναι η κίνηση υπόγειων νερών στην περιοχή. Σε περίπτωση που υπάρχει σημαντική ποσότητα υπόγειων νερών η αποθήκευση της θερμότητας είναι αδύνατη, καθώς με την πρόσδοση θερμότητας στο υπέδαφος τα νερά αυτά θερμαίνονται και με φυσική συναγωγή μεταφέρονται προς τα ανώτερα στρώματα της περιοχής. Έτσι, μέρος της θερμότητας που επρόκειτο να αποθηκευτεί στο υπέδαφος τελικά χάνεται στο περιβάλλον. Σύμφωνα με τη σχετική μελέτη για τη συγκεκριμένη περιοχή (παράρτημα Δ) δεν προβλέπεται κίνηση υπόγειων νερών. Παράλληλα, οι τιμές των ιδιοτήτων του εδάφους αναμένεται να είναι οι εξής: - Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας : 2 W/(mK) - Ειδική κατ όγκο θερμότητα : 2100 MJ/(m 3 K) - Συντελεστής θερμικής διαχυτότητας : 0,952*10-6 m 2 /s ΕΚΣΔ -73-

84 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου 5. Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου 5.1. Δομή και περιβάλλον προσομοίωσης Η εισαγωγή δεδομένων για την προσομοίωση του κτιρίου έγινε με τη βοήθεια των TRNSYS Simulation Studio και TRNBuild. Η εκτέλεση της προσομοίωσης έγινε μέσω τουtrndll. Μέσω του Simulation Studio έγινε η διασύνδεση των στοιχείων προσομοίωσης που επιλέχθηκαν (βλ. 5.2) και αφορούσαν τις παραμέτρους και τα δεδομένα της που δεν σχετίζονται άμεσα με το κτίριο (κλιματικά δεδομένα, προφίλ λειτουργίας, ωράρια λειτουργίας) αλλά και βοηθητικά στοιχεία στην παραγωγή των αποτελεσμάτων. Τα στοιχεία αυτά μέσω του Simulation Studio συνδέονται με τις μεταβλητές εισόδου του στοιχείου του πολυζωνικού κτιρίου (Type 56). Μέσω του TRNBuild έγινε εισαγωγή των δεδομένων που αφορούν το ίδιο το κτίριο δηλαδή: - τα γεωμετρικά μεγέθη του κτιριακού κελύφους, - τις θερμοφυσικές ιδιότητες των δομικών στοιχείων του, - τα στοιχεία που διαμορφώνουν τα θερμικά κέρδη και τις θερμικές απώλειες του κτιρίου. Οι μεταβλητές εξόδου του στοιχείου του πολυζωνικού κτιρίου είναι τα απαιτούμενα θερμικά φορτία των ζωνών του κτιρίου σε ωριαία βάση για ένα χρόνο. Αυτά αποτέλεσαν με τη σειρά τους εισόδους στο μοντέλο της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος Τα στοιχεία προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν (Τypes) Το βασικό στοιχείο κατά την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του σχολείου είναι το στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου (Type 56). Τα επιπλέον στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν κατηγοριοποιούνται σε: Α. Στοιχεία που έχουν σχέση με τις οριακές συνθήκες των δομικών στοιχείων στο Type 56. Β. Στοιχεία που έχουν σχέση με προφίλ λειτουργίας και απόδοση θερμότητας στο εσωτερικό ζωνών. Γ. Στοιχεία για καθορισμό εισόδων - εξόδων Α1. Επεξεργαστής κλιματικών δεδομένων (Type 15-6) Το στοιχείο αυτό εξυπηρετεί στο να αναγνωστούν τα μετεωρολογικά δεδομένα από ένα εξωτερικό αρχείο κλιματικών δεδομένων και να δημιουργηθούν τα απαραίτητα δεδομένα κλίματος (κυρίως ηλιακής προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε επιφάνειες). Το αρχείο δεδομένων που επιλέχθηκε είναι του τύπου Typical Meteorological Year 2 (TMY2) και δημιουργήθηκε αρχικά από την πλατφόρμα METEONORM (κεφ. 4). ΕΚΣΔ -74-

85 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Παράμετροι είναι το αζιμούθιο και η κλίση των επιφανειών για τις οποίες παράγονται τα μεγέθη που αφορούν την ηλιακή ακτινοβολία. Οι βασικές μεταβλητές εξόδου του στοιχείου είναι: - Θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου - Θερμοκρασία σημείου δρόσου - Θερμοκρασία υγρού βολβού - Ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού - Ειδική υγρασία - Σχετική υγρασία - Ταχύτητα ανέμου - Κατεύθυνση ανέμου - Συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε επιφάνεια - Άμεση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε επιφάνεια - Διάχυτη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε επιφάνεια - Ανακλώμενη στο έδαφος προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία - Γωνία πρόσπτωσης ηλιακής ακτινοβολίας Α2. Οριζόντια και κάθετα εξωτερικά σκίαστρα (Type 34) Το στοιχείο αυτό υπολογίζει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε μια κάθετη επιφάνεια (RECEIVER), η οποία σκιάζεται από μία οριζόντια ή κατακόρυφη προεξοχή (σκίαστρο). Η γεωμετρία του προβλήματος σκίασης φαίνεται στην εικόνα 5.1. Εικόνα 5.1 Γεωμετρική απεικόνιση σκίασης μιας επιφάνειας από προεξοχές.[18] ΕΚΣΔ -75-

86 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Οι παράμετροι που δίνονται στο στοιχείο είναι τα γεωμετρικά δεδομένα και φαίνονται στην εικόνα 5.1. Οι μεταβλητές εισόδου αφορούν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και οι μεταβλητές εξόδου την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια που σκιάζεται. Α3. Θερμοκρασία ουρανού (Type 69b) Το στοιχείο αυτό καθορίζει μια ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού, βάση της οποίας υπολογίζεται η ανταλλαγή ακτινοβολίας μεγάλου μήκους μεταξύ των εξωτερικών επιφανειών ενός κτιρίου και του περιβάλλοντος. Η ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος στην περίπτωση ουρανού χωρίς νέφωση. Για τον προσδιορισμό της είναι απαραίτητο ως δεδομένο το ποσοστό κάλυψης του ουρανού από σύννεφα. Σε περίπτωση που αυτό δε δίνεται από τα κλιματικά δεδομένα, υπολογίζεται, από το στοιχείο ως συνάρτηση της διάχυτης και της συνολικής προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Οι επιπλέον μεταβλητές που εισάγονται στο στοιχείο είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος και το σημείου δρόσου στις συνθήκες περιβάλλοντος. Α4. Δάπεδο επί εδάφους (Type 703d) Για τον υπολογισμό της μετάδοσης θερμότητας μέσω της πλάκας του δαπέδου του κτιρίου και του εδάφους κάτω από αυτό, χρησιμοποιείται το Type 703 από την βιβλιοθήκη TESS. Η μετάδοση θερμότητας υποτίθεται ότι είναι μόνο λόγω αγωγιμότητας και οι επιδράσεις της υγρασίας δε λαμβάνονται υπόψη. Το στοιχείο βασίζεται σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων διαφορών για την ροή θερμότητας στο έδαφος κάτω από το δάπεδο και στην περιοχή γύρω από αυτό (Εικόνα 5.2). Εικόνα 5.2 Τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων διαφορών του εδάφους (Type 703). ΕΚΣΔ -76-

87 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Ως παράμετροι του στοιχείου εισάγονται: - Η γεωμετρία του προβλήματος - Οι θερμοφυσικές ιδιότητες του εδάφους - Ο συντελεστής θερμοπερατότητας της πλάκας - Η τιμή της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους και το εύρος διακύμανσής της Οι μεταβλητές εισόδου είναι: - Η θερμοκρασία εξωτερικού αέρα - Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο έδαφος κοντά στην πλάκα - Η ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού - Ο συντελεστής συναγωγής στην επιφάνεια εδάφους - αέρα - Η θερμοκρασία της επιφάνειας της πλάκας της υπερκείμενης θερμικής ζώνης του κτιρίου. Για τον υπολογισμό της μετάδοσης θερμότητας από και προς το έδαφος, μέσω της πλάκας του δαπέδου, χρησιμοποιήθηκε, ως μεταβλητή εισόδου στο Type 703, η μέση θερμοκρασία της άνω επιφάνειας του δαπέδου, που είναι απαραίτητη κατά την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς των ζωνών του ισογείου (ζώνες 1 έως 5). Αυτή υπολογίστηκε ως η μέση ζυγισμένη θερμοκρασία για όλες τις επιφάνειες. Τα απαραίτητα για την προσομοίωση δεδομένα του δαπέδου φαίνονται στο πίνακα 5.1. Πίνακας 5.1 Παράμετροι για το στοιχείο του δαπέδου Type 703. Παράμετρος Τιμή Μήκος δαπέδου 16,2 m Πλάτος δαπέδου 33 m Μέση θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους 14,05 ο C Εύρος θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους 10,23 ο C Ημέρα ελάχιστης θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους 12 η Αγωγιμότητα εδάφους 2 W/mK Πυκνότητα εδάφους 2600 kg/m 3 Θερμοχωρητικότητα εδάφους kj/kgk Εκπεμψιμότητα εδάφους 0,9 Απορροφητικότητα εδάφους 0,6 Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας δαπέδου U 2,63 W/m 2 K ΕΚΣΔ -77-

88 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Το αποτέλεσμα των υπολογισμών του στοιχείου είναι η θερμοκρασία της κάτω επιφάνειας του δαπέδου, δηλαδή αυτής που έρχεται σε επαφή με το έδαφος. Αυτή εισάγεται στο στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου (Type 56) ως η θερμοκρασία στην οποία είναι παρακείμενο (Adjacent) το δομικό στοιχείο του δαπέδου για να υπολογιστεί η μετάδοση θερμότητας. Επιπλέον μεταβλητές εξόδου του στοιχείου αφορούν τις θερμοκρασίες και τις ροές θερμότητας στο έδαφος. Β1. Χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση λειτουργίας (Type 14h) Το στοιχείο αυτό επιτρέπει στον χρήστη να εισάγει στην προσομοίωση μια εξαρτώμενη από το χρόνο συνάρτηση λειτουργίας που μπορεί να επαναλαμβάνεται. Ο χρήστης εισάγει ως παραμέτρους ένα σύνολο διακριτών σημείων που υποδεικνύουν την τιμή της συνάρτησης σε διάφορους χρόνους κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας. Ο κύκλος θα επαναλαμβάνεται κάθε Ν ώρες όπου N είναι η τελευταία τιμή του καθορισμένου χρονικού διαστήματος. Στο διάστημα μεταξύ δυο διακριτών τιμών η τιμή της συνάρτησης καθορίζεται από γραμμική παρεμβολή αυτών των δυο. Η μεταβλητή εξόδου του στοιχείου θα είναι, βεβαίως, η τιμή της συνάρτησης στο αντίστοιχο χρονικό βήμα της προσομοίωσης. Ένα παράδειγμα χρήσης τουtype 14 φαίνεται στην εικόνα 5.3, όπου φαίνεται και το γραφικό περιβάλλον του για την εισαγωγή των δεδομένων. Εικόνα 5.3 Παράθυρο εισαγωγής τιμών της συνάρτησης λειτουργίας στο Type 14. ΕΚΣΔ -78-

89 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Β2. Ετήσιο προφίλ μεταβλητών (Type 41d) Αυτό το στοιχείο χρησιμοποιείται για την οργάνωση των καθημερινών προφίλ λειτουργίας που δημιουργούνται από το Type14 (που περιεγράφηκε παραπάνω) σε μια ακολουθία που σχηματίζει ένα ετήσιο προφίλ. Το ετήσιο προφίλ λειτουργίας δημιουργείται αναθέτοντας τις διάφορες συναρτήσεις λειτουργίας σε κάθε μία από τις επτά τυπικές μεταβλητές εισόδους (μια για κάθε ημέρα της εβδομάδας) του στοιχείου. Επιπλέον, ο χρήστης είναι σε θέση να προσδιορίσει ένα μη τυποποιημένο προφίλ, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί όλο το χρόνο για τις ημέρες που υπάρχει διακοπή του ετήσιου προφίλ λειτουργίας. Στο συνδυασμό των Type 14 και 41, κατά την προσομοίωση, έκτος από τις μεταβλητές που αφορούν τον αερισμό, τα φορτία από την παρουσία ατόμων, τις συσκευές και το τεχνητό φωτισμό, βασίστηκε και η λειτουργία της θέρμανσης με δημιουργία ετήσιων προφίλ επιθυμητής θερμοκρασίας και μέγιστης διαθέσιμης ισχύος θέρμανσης για κάθε ζώνη. Τα προφίλ που δημιουργήθηκαν δίνονται στο κεφάλαιο των παραδοχών και δεδομένων (Παράγραφος 5.3). Γ1. Ολοκληρωτής (Type 24) Η εισαγωγή του Type 24 στην προσομοίωση επιτρέπει στο χρήστη την ολοκλήρωση στο χρόνο των μεταβλητών που εισάγονται σε αυτό για την καλύτερη αξιοποίηση των δεδομένων και την άμεση χρήση τους σε περαιτέρω υπολογισμούς. Για παράδειγμα, στην προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου ολοκληρώθηκε η απαίτηση ισχύος για να υπολογιστεί η ετήσια απαίτηση ενέργειας. Γ2. Εκτυπωτής(Type 25) Το Type 25 εκτυπώνει τις επιθυμητές μεταβλητές ανά καθορισμένα από το χρήστη χρονικά διαστήματα σε ένα αρχείο εξόδου. Το αρχείο εξόδου μπορεί να ανοιχθεί με το Σημειωματάριο των Windows αλλά και με λογισμικά επεξεργασίας υπολογιστικών φύλλων όπως το Microsoft Excel. Γ3. Σχεδιαστής άμεσων διαγραμμάτων (Type 65) Εάν στο πρόγραμμα της προσομοίωσης έχει προστεθεί τουλάχιστον ένα στοιχείο ταυτόχρονης δημιουργίας διαγραμμάτων (Type 65 Online Plotter), εμφανίζεται ένα διάγραμμα κατά τη διάρκεια των υπολογισμών της προσομοίωσης (Εικόνα 3.3) με τις τιμές των προκαθορισμένων, από τον χρήστη, μεταβλητών εισόδου Το στοιχείο αυτό παρέχει πολλές δυνατότητες που χρησιμεύουν στην ανάλυση των αποτελεσμάτων κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και αφού αυτή περατωθεί. ΕΚΣΔ -79-

90 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Γ4. Εξίσωση (Equation) Μια από τις σημαντικότερες δυνατότητες του TRNSYS είναι αυτή του ορισμού εξισώσεων προς επίλυση χωρίς τη χρήση στοιχείων. Οι εξισώσεις μπορούν να είναι: - Συναρτήσεις αποτελεσμάτων των στοιχείων προσομοίωσης. - Αριθμητικές τιμές. - Προκαθορισμένες εξισώσεις. Αυτές οι εξισώσεις μπορούν, στη συνέχεια, να χρησιμοποιηθούν ως παράμετροι ή είσοδοι σε διάφορα στοιχεία. Η δημιουργία τους γίνεται στο στοιχείο Equation. Το παράθυρο του στοιχείου (εικόνα 5.4, σελ. 79) επιτρέπει στο χρήστη να ορίσει στο αριστερό μέρος του τις μεταβλητές εισόδου και στο δεξιό τις μεταβλητές εξόδου. Οι εξισώσεις που υπολογίζουν τις μεταβλητές εξόδου ορίζονται στο κουτί στη μέση του παραθύρου. Οι εξισώσεις μπορούν να καθορίζουν αριθμητικές (+,-,*,/) αλλά και λογικές πράξεις (and, or, greater/less than, κ.α), που απαρτίζονται από τις μεταβλητές εισόδου και εξόδου. Το στοιχείο αυτό μπορεί να συνδεθεί με τις εισόδους και εξόδους όλων των άλλων στοιχείων. Το στοιχείο αυτό χρησιμοποιήθηκε σε πολλές περιπτώσεις κατά τις προσομοιώσεις, μια από αυτές ήταν ο υπολογισμός του συντελεστή ελεύθερης συναγωγής στη εξωτερική επιφάνεια των σωληνώσεων των ηλιακών συλλεκτών σύμφωνα με τη σχέση: a 10,45 v wind 10 v wind Εικόνα 5.4 Παράθυρο ορισμού εξισώσεων. ΕΚΣΔ -80-

91 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου 5.3. Παραδοχές και δεδομένα Η προσομοίωση απαίτησε την καταχώρηση των δεδομένων του σχολείου της Μ. Παναγίας στο TRNSYS Simulation studio και στο TRNBuild, και καθορισμό των παραδοχών που απαιτούνται για την διασφάλιση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Τα δεδομένα και οι παραδοχές παρουσιάζονται παρακάτω Θερμικές ζώνες Το κτίριο χωρίστηκε σε 12 θερμικές ζώνες όπως στον πίνακα 5.2. Η γεωμετρία τους φαίνεται στα σχέδια του παραρτήματος Ε. Οι ζώνες καθορίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τα παρακάτω χαρακτηριστικά των χώρων που τις αποτελούν: - Λειτουργία/χρήση του χώρου - Επιθυμητή θερμοκρασία εσωτερικού αέρα - Προσανατολισμός και θέση στο κτίριο - Τύπος του συστήματος διανομής θερμότητας εντός της θερμικής ζώνης Το μηχανοστάσιο έχει ορισθεί ως μη θερμαινόμενη ζώνη. Πίνακας 5.2 Θερμικές ζώνες του κτιρίου. Ζώνη Χώρος Εμβαδόν Όγκος Παρακείμενες Ζώνες (m 2 ) (m 3 ) 1 Αποδυτήρια, Τουαλέτες ,5,7, 8, ΜΘΧ 2 Χώροι διαλείμματος, κλιμακοστάσια Όλες 3 Γραφεία και WC καθηγητών ,4, 11, 12 4 Βιβλιοθήκη ,3, 12 5 Αίθουσα ,2,6 6 Αίθουσα , 5, 7 7 Αίθουσα , 2, 6, 8 8 Αίθουσα ,2, 7, 9 9 Αίθουσα Ξένων Γλωσσών ,2, 8, ΜΘΧ 10 Αίθουσα Πληροφορικής , Αίθουσα , 3, 10, Αίθουσα , 3, 4, 11 ΜΘΧ Μηχανοστάσιο ,2, Αδιαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου Οι θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών των στρώσεων των αδιαφανών δομικών στοιχείων του κτιρίου καθορίστηκαν σύμφωνα με την Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010 [26] και είναι όπως στον πίνακα 5.3. Οι συντελεστές θερμικής μετάβασης θεωρήθηκαν σύμφωνα με την ίδια οδηγία. ΕΚΣΔ -81-

92 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Πίνακας 5.3 Θερμοφυσικές ιδιότητες των δομικών υλικών. Υλικό Πυκνότητα (kg/m 3 ) Ειδική θερμοχωρητικότητα (kj/kgk) Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (W/mK) Οπλισμένο σκυρόδεμα ,00 2,500 Οπτοπλινθοδομή ,00 0,510 Επίχρισμα ,00 0,870 Μόνωση 32 1,50 0,033 Τσιμεντοκονία ,00 1,400 Ελαφροσκυρόδεμα ,00 0,350 Μάρμαρο ,00 3,500 Κεραμίδι ,00 0,400 Τα αδιαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου (στρώσεις δομικών υλικών), όπως θεωρήθηκαν στην προσομοίωση, δίνονται στον πίνακα 5.4. Οι διατομές των αδιαφανών δομικών στοιχείων αναλύονται στο παράρτημα Γ. Πίνακας 5.4 Αδιαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου. A/A Δομικά στοιχεία κτιρίου Πάχος δομικού στοιχείου (cm) Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U (W/m 2 K) 1 Τοίχος διπλός (Σ) 44 0,466 2 Τοίχος διπλός (Σ) 34 0,430 3 Υποστύλωμα 40x ,522 4 Τοιχίο 31 0,540 5 Δοκός ,494 6 Δοκός ,519 7 Τοίχος μονός ,427 8 Τοίχος μονός ,466 9 Τοίχος , Τοίχος , Τοίχος , Δοκός 55 αμόνωτη 59 2, Δοκός 35 αμόνωτη (πρέκι) 39 2, Εσωτερικός τοίχος 24 1, Δάπεδο επί εδάφους 20 2, Δάπεδο πάνω από ανοικτή διάβαση 44 0, Ενδιάμεση οροφή/δάπεδο 29 3, Οροφή 42 0,392 ΕΚΣΔ -82-

93 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Για την καλύτερη κατανόηση της θέσης των δομικών στοιχείων δίνεται ενδεικτικά η εικόνα 5.5, στην οποία φαίνεται η ΒΒΑ όψη του σχολείου με επιφάνειες χρωματισμένες, ώστε να αντιστοιχούν στα διάφορα δομικά στοιχεία. Οι θερμογέφυρες που προκύπτουν, σύμφωνα με τη μελέτη, δε λήφθηκαν υπόψη στις προσομοιώσεις κατά τη παρούσα εργασία. Εικόνα 5.5 Τα δομικά στοιχεία της ΒΒΑ όψης του σχολείου Διαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου Τα διαφανή δομικά στοιχεία (κουφώματα) είναι σύνθετα στοιχεία που αποτελούνται από την υάλωση (υαλοστάσια) και τα πλαίσιά τους. Σύμφωνα με την πρόταση επεμβάσεων, τα διαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου είναι κουφώματα διαφόρων μεγεθών, με πλαίσιο αλουμινίου και διπλό υαλοπίνακα με διάκενο αέρα ενδιάμεσα. Ο συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοπίνακα επιλέχθηκε 1,80 W/m 2 K και ο συντελεστής διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας επιλέχθηκε στην περιοχή του 0,5 0,6. Οι συντελεστές θερμοπερατότητας που προέκυψαν για τα διαφανή δομικά στοιχεία, σύμφωνα με τη μελέτη, είναι όπως στο παράρτημα Β και έχουν μεικτό συντελεστή θερμοπερατότητας από 2,14 έως 2,83 W/m 2 K. Στο περιβάλλον του TrnBuild υπάρχουν μόνο έτοιμα, πρότυπα στοιχεία υαλοπινάκων (κατασκευασμένα από το λογισμικό Windows 4.1 [18]). Στην περίπτωση αυτή, θεωρήθηκαν διαφανή δομικά στοιχεία με τα ίδια χαρακτηριστικά πλαισίων με αυτά της πρότασης ενεργειακών επεμβάσεων αλλά με υαλοστάσια που έχουν συντελεστής θερμοπερατότητας 1,40 W/m 2 και συντελεστής διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας 0, Σκίαστρα Μεγάλη έμφαση δόθηκε στην λεπτομερή καταχώρηση των δεδομένων που αφορούν την σκίαση των διαφανών δομικών στοιχείων από τις οριζόντιες προεξοχές και από παράπλευρους τοίχους. ΕΚΣΔ -83-

94 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Για τον υπολογισμό της μειωμένης προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας λόγω σκίασης χρησιμοποιήθηκε το Type 34. Τα βασικά σημεία σκίασης στο κτίριο δημιουργούνται από: την οριζόντια δοκό(πρέκι), που βρίσκεται ανάμεσα στα ανοίγματα και τους φεγγίτες, η οποία προεξέχει κατά 0,90 m κάθετα στην επιφάνεια του ανοίγματος σκιάζοντας το (εικόνα 5.6), τον κύριο όγκο του κτιρίου, που σκιάζει την είσοδο του βόρειου κλιμακοστασίου και τα ανοίγματα του πρώτου ορόφου, την εσοχή, που δημιουργείται στη δυτική είσοδο του σχολείου (φαίνεται στην εικόνα 5.7). Εικόνα 5.6 Σκίαση ανοίγματος από την οριζόντια δοκό και από πλευρικό τοίχο με το λογισμικό Sketchup. Εικόνα 5.7 Ανάδειξη των σημείων σκίασης του κτιρίου με το λογισμικό Sketchup. ΕΚΣΔ -84-

95 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Αερισμός Η εισαγωγή φρέσκου αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον στους χώρους του σχολείου γίνεται με δύο βασικούς τρόπους: α) με φυσική διείσδυση αέρα από τις χαραμάδες των ανοιγμάτων λόγω διαφοράς πίεσης εξωτερικού εσωτερικού αέρα και β) λόγω βεβιασμένης ροής εξωτερικού αέρα με στόχο τη διατήρηση ανεκτής ποιότητας αέρα στους χώρους του κτιρίου. Ο τελευταίος τρόπος θεωρείται ότι στους χώρους πραγματοποιείται με το άνοιγμα των παραθύρων με τέτοιον τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ο αναγκαίος αερισμός τους. Και στις δύο περιπτώσεις ο αέρας εισέρχεται στο κτίριο με θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος και την αντίστοιχη σχετική υγρασία του. Ο ρυθμός φυσικής διείσδυσης αέρα στο κτίριο (infiltration) από τα ανοίγματα υπολογίστηκε για τους χώρους του κτιρίου στις περιόδους που το κτίριο είναι εκτός λειτουργίας, σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ., με βάση: - την αεροστεγανότητα του κτιρίου (είδος κουφώματος), - το βαθμό έκθεσης του σε ανεμοπίεση, - τον αριθμό των ανοιγμάτων του κάθε χώρου και - το ύψος του κτιρίου. Για ανοιγομένο αεροστεγές πιστοποιημένο κούφωμα με μεταλλικό πλαίσιο και διπλό υαλοπίνακα η τιμή διείσδυσης αέρα ανά μονάδα επιφανείας ανοίγματος, που χρησιμοποιήθηκε, είναι 6,2 m 3 /h/m 2 και για αντίστοιχο κούφωμα χωρίς υαλοπίνακα (πόρτα) 4,8 m 3 /h/m 2. Λαμβάνοντας υπόψιν τις παραπάνω τιμές υπολογίστηκε ο ρυθμός εναλλαγής του αέρα λόγω διείσδυσης για κάθε ζώνη όπως φαίνεται στην πρώτη γραμμή του πίνακα 5.5. Οι ρυθμοί βεβιασμένου αερισμού σε κάθε ζώνη, κατά τις περιόδους που το σχολείο λειτουργεί, θεωρήθηκαν σύμφωνα με τον ΚΕΝΑΚ και φαίνονται στη δεύτερη γραμμή του πίνακα 5.5. Πίνακας 5.5 Ρυθμοί αερισμού στις ζώνες του κτιρίου. Ζώνη Διείσδυση αέρα (h -1 ) (εκτός ωραρίου) Ελάχιστος αερισμός (h -1 ) (εντός ωραρίου) 0,05 0,09 0,36 0,31 0,32 0,33 0,33 0,33 0,63 0,32 0,33 0,32 1,5 0, Στην προσομοίωση ενός έτους λειτουργίας χρησιμοποιείται η τιμή του αερισμού του κτιρίου σύμφωνα με τους ρυθμούς βεβιασμένου αερισμού κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του σχολείου και σύμφωνα με τη διείσδυση αέρα από τις χαραμάδες των ΕΚΣΔ -85-

96 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου κουφωμάτων κατά τις υπόλοιπες ώρες (εκτός ωραρίου λειτουργίας του σχολείου). Σε καμία περίπτωση ο τελικός ρυθμός αερισμού κάθε ζώνης δεν πρέπει να είναι μικρότερος από αυτόν φυσικής διείσδυσης αέρα μέσω των κουφωμάτων του Πρόγραμμα και ωράριο λειτουργίας Οι ώρες λειτουργίας του σχολείου είναι 8:30 με 14:05, στη διάρκεια αυτή υπάρχουν 7 διδακτικές ώρες και 6 διαλείμματα (πίνακας 5.6). Το σχολείο λειτουργεί Δευτέρα με Παρασκευή, από 1 Σεπτεμβρίου μέχρι 30 Ιουνίου. Το πρόγραμμα λειτουργίας του σχολείου χρησιμοποιήθηκε αυτό του έτους Η περίοδος θέρμανσης αρχίζει 20 Οκτωβρίου και λήγει 20 Απριλίου. Ο συνολικός αριθμός ημερών λειτουργίας της θέρμανσης είναι 118 και οι συνολικές ώρες λειτουργίας 708 ώρες. Οι αργίες, κατά τις οποίες το σχολείο είναι κλειστό, θεωρήθηκαν όπως αυτές του σχολικού έτους και δίνονται στον πίνακα 5.7. Πίνακας 5.6 Ωράριο λειτουργίας του σχολείου. Α/Α Ώρα Μαθήματος Ώρα Διαλλείματος 1 8:30-9:15 9:15-9:25 2 9:25-10:10 10:10-10: :20-11:05 11:05-11: :10-11:55 11:55-12: :00-12:40 12:40-12: :45-13:25 13:25-13: : Πίνακας 5.7 Σχολικές Αργίες Αργίες Ημερομηνία Αργίες Ημερομηνία Εθνική Επέτειος 28/10 Εθνική Επέτειος 25/3 Επέτειος του Πολυτεχνείου 17/11 Διακοπές Πάσχα 6/4-19/4 Διακοπές Χριστουγέννων 24/12-7/1 Πρωτομαγιά 1/5 Τριών Ιεραρχών 30/1 Αγίου Πνεύματος 1/6 Καθαρά Δευτέρα 23/ Θερμικά κέρδη στο εσωτερικό των ζωνών Τα θερμικά κέρδη, που εισέρχονται στις ζώνες του κτιρίου κατά τη λειτουργία του σχολείου, σχετίζονται με: - την παρουσία ανθρώπων στο κτίριο, - τον τεχνητό φωτισμό και - τις συσκευές που υπάρχουν μέσα στο κτίριο. ΕΚΣΔ -86-

97 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Για κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες κερδών και για κάθε ζώνη εκτιμήθηκαν οι μέγιστες τιμές τους (μέγιστος πληθυσμός, εγκατεστημένη ισχύς τεχνητού φωτισμού, μέγιστη απόδοση θερμότητας από συσκευές). Οι σχετικοί υπολογισμοί έγιναν με βάση καταγραφές πραγματικών δεδομένων (αριθμός μαθητών σε κάθε τάξη και υπάρχουσες συσκευές σε κάθε χώρο) και τιμές σύμφωνα με την ηλεκτρομηχανολογική μελέτη (το 72% της εγκατεστημένης ηλεκτρικής ισχύος φωτισμού προσδίδεται σε κάθε χώρο με ακτινοβολία). Οι τιμές μεγίστων αποδόσεων του πίνακα 5.8 πολλαπλασιάζονται με συντελεστές ετεροχρονισμού (0% - 100%) με βάση το ωράριο λειτουργίας του σχολείου όπως στο παράρτημα ΣΤ. Πίνακας 5.8 Δεδομένα ανθρώπων, φωτισμού και συσκευών για κάθε ζώνη. Ζώνη Μέγιστος πληθυσμός (άτομα) Απόδοση αισθητής θερμότητας ανά άτομο (W) Απόδοση λανθάνουσας θερμότητας ανά άτομο (W) Εγκατεστημέν η ηλεκτρική ισχύς τεχνητού φωτισμού (W) Απόδοση αισθητής θερμότητας από συσκευές (W) Οι συσκευές που υπάρχουν στο σχολείο είναι Η/Υ, οθόνες, εκτυπωτές και συσκευές παρασκευής φαγητού εντός του κυλικείου και όλες έχουν μόνο αισθητό φορτίο. Οι τιμές του πίνακα 5.8 αφορούν τις μέγιστες τιμές των διαφόρων μεταβλητών, καθώς αυτές κατά τη χρονική προσομοίωση πολλαπλασιάζονται με την ποσοστιαία συνάρτηση, που αντιστοιχεί στο προφίλ λειτουργίας της κάθε μιας (παράρτημα ΣΤ), η οποία ορίζεται από το Type Άλλες παραδοχές Κατά την παρούσα εργασία, για των ακριβή προσδιορισμό της θερμικής μάζας του κτιρίου συνυπολογίστηκαν για κάθε ζώνη οι θερμοχωρητικότητες των παρακάτω στοιχείων: - Δομικά στοιχεία που βρίσκονται στο εσωτερικό των ζωνών (πέραν των στοιχείων κελύφους, δηλαδή εσωτερικοί τοίχοι ενδιάμεσες πλάκες) - Έπιπλα (γραφεία, θρανία και καθίσματα) και αντικείμενα (βιβλία) ΕΚΣΔ -87-

98 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Τα δομικά στοιχεία εισάχθηκαν στο πολυζωνικό κτίριο ως εσωτερικοί τοίχοι (Internal). Οι θερμοχωρητικότητες των αντικειμένων κάθε ζώνης φαίνονται στον πίνακα 5.9 και υπολογίστηκαν σύμφωνα με τις παρακάτω τιμές ειδικής θερμότητας: - Ξύλο 2100 kj/kgk - Σίδηρο 500 kj/kgk - Χαρτί 1300 kj/kgk Πίνακας 5.9 Θερμοχωρητικότητες ανά ζώνη. Ζώνη Θερμοχωρητικότητα (kj/k) Ζώνη Θερμοχωρητικότητα (kj/k) Επιπλέον, για την προσομοίωση της θέρμανσης ορίστηκαν ως μεταβλητές εισόδου, στο Type 56, η μέγιστη διαθέσιμη ισχύς θέρμανσης σε κάθε ζώνη, η οποία δίνεται στον πίνακα 5.10, και η επιθυμητή θερμοκρασία της ζώνης (20 ο C για όλες τις ζώνες). Με αυτό τον τρόπο, η μεταβλητή εξόδου SQHEAT του Type 56 δίνει, σε κάθε χρονικό βήμα, την τιμή της ισχύος που πρέπει να εισαχθεί στο σύνολο των θερμικών ζωνών του κτιρίου, η οποία, ωστόσο, δεν υπερβαίνει την συνολική μέγιστη διαθέσιμη. Πίνακας 5.10 Μέγιστη ισχύς του συστήματος διανομής για κάθε ζώνη για θερμοκρασίες προσαγωγής/επιστροφής νερού στα θερμαντικά σώματα 40/45 o C και θερμοκρασία αέρα χώρου 20 o C. Μέγιστης ισχύς συστήματος Ζώνη διανομής (W) Συνολική ΕΚΣΔ -88-

99 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Ακόμη, με χρήση της παραμέτρου Geosurf που υπάρχει στο TrnBild, θεωρήθηκε ότι το 30% της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται σε κάθε ζώνη από τα ανοίγματά της, προσπίπτει στο δάπεδο της ζώνης. Το υπόλοιπο 70% διανέμεται στους τοίχους και την οροφή ισόποσα ανάλογα με την επιφάνειά τους Αποτελέσματα Η προσομοιώσεις που εκτελέστηκαν στα διάφορα στάδια της εργασίας έγιναν με στόχο: 1) Τη διακριτοποίηση του μοντέλου (ανίχνευση λαθών στην εισαγωγή δεδομένων και στις παραδοχές και σφάλματα κατά την εκτέλεση) και στην προσδιορισμό κατάλληλου χρονικού βήματος για την εκτέλεση υπολογισμών. 2) Τον προσδιορισμό των τελικών θερμικών φορτίων του κτιρίου, δηλαδή των μέγιστων τιμών των απαιτήσεων (kw). 3) Τον προσδιορισμό των καθαρών απαιτήσεων φορτίων (kw) όλων των ζωνών σε ωριαία βάση σε μια πλήρη θερμαντική περίοδο, με την παραδοχή της λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης μόνο στο ωράριο λειτουργίας του σχολείου (8:30-14:30) τις ημέρες που το σχολείο λειτουργεί και την παραδοχή ύπαρξης συστήματος θέρμανσης με απεριόριστη ισχύ. Δηλαδή προσδιορισμό των απαιτήσεων χωρίς πρωινή αναθέρμανση των χώρων του σχολείου πριν από την έναρξη του ωραρίου. 4) Τη διερεύνηση του προβλήματος της πρωινής αναθέρμανσης του σχολείου και την εύρεση μιας στρατηγικής αναθέρμανσης που θα οδηγεί σε λογικές απαιτήσεις ισχύος του συστήματος παραγωγής και διανομής θερμότητας χωρίς σοβαρή επιβάρυνση της κατανάλωσης ενέργειας σε ετήσια βάση. 5) Τη δημιουργία των δεδομένων που θα εισάγονται στο μοντέλο προσομοίωσης της δυναμικής θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης. Στις επόμενες παραγράφους περιγράφονται οι προσπάθειες που έγιναν για την επίτευξη αυτών των στόχων, δίνονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματά τους Διακριτοποίηση του μοντέλου Κατά τις αρχικές εκτελέσεις των προσομοιώσεων έγινε έλεγχος των αποτελεσμάτων του προγράμματος για να εντοπιστούν εσφαλμένες παραδοχές και λάθη στην εισαγωγή δεδομένων. Επιπλέον, διερευνήθηκε: α) η καταλληλότητα των στοιχείων προσομοίωσης (Types) που επιλέχθηκαν για κάθε τμήμα του μοντέλου προσομοίωσης και β) η επιλογή του χρονικού βήματος και του χρόνου έναρξης της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τον πρώτο χρόνο λειτουργίας εμφάνιζαν μεγάλη απόκλιση από αυτά των επόμενων ετών. Ως εκ τούτου, διερευνήθηκε και διαγνώσθηκε ΕΚΣΔ -89-

100 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου υπολογιστικό σφάλμα στο στοιχείο προσομοίωσης του δαπέδου Type 703 (το οποίο εμφανιζόταν και στο παρεχόμενο, από το TRNSYS, παράδειγμα χρήσης του στοιχείου). Συγκεκριμένα, η θερμοκρασία του εδάφους, που βρίσκεται σε επαφή με το κάτω μέρος του δαπέδου και εισάγεται στο στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου, ήταν πολύ χαμηλότερη από την αναμενόμενη. Το πρόβλημα εντοπίστηκε στις αρχικές συνθήκες του υπολογιστικού μοντέλου και στο συνδυασμό αυτού με την περιοδική λειτουργία της θέρμανσης στο σχολικό κτίριο. Για την ελαχιστοποίηση της επιρροής των αρχικών συνθηκών στα θερμικά φορτία του κτιρίου ορίσθηκε ως χρόνος έναρξης της προσομοίωσης η 1 η Μαΐου και όχι η αρχή του έτους. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων για διαφορετικό χρόνο έναρξης φαίνεται στον πίνακα Πίνακας 5.11 Ενεργειακές απαιτήσεις Ιανουαρίου και θερμοκρασία εδάφους/πλάκας πριν από την 1 η ώρα λειτουργίας τον Ιανουάριο για διαφορετικούς χρόνους έναρξης της προσομοίωσης. Χρόνος έναρξης της προσομοίωσης: 1 η Ιανουαρίου 1 η Μαΐου Ενεργειακές απαιτήσεις για τον μήνα Ιανουάριο: kwh kwh Θερμοκρασία εδάφους/πλάκας πριν από την 1 η ώρα λειτουργίας τον Ιανουάριο: 10,2 ο C 15,9 ο C Οι ενεργειακές απαιτήσεις του κτιρίου κατά τον μήνα Ιανουάριο είναι σημαντικά μειωμένες (κατά 24%) όταν η προσομοίωση ξεκινά την 1 η Μαΐου. Επιπλέον, για τον ίδιο χρόνο έναρξης, η θερμοκρασία του εδάφους, που βρίσκεται σε επαφή με το κάτω μέρος της πλάκας του δαπέδου (προερχόμενη από τη μεταβλητή εξόδου του Type 703), πριν από την πρώτη ώρα λειτουργίας του σχολείου (7 π.μ. στις 8 Ιανουαρίου), είναι αυξημένη κατά 5,7 ο C. Στην συνέχεια, για την εξάλειψη του προβλήματος, η προσομοίωση εκτελέστηκε για 3 συνεχόμενα έτη. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 5.12 όπου διακρίνεται η μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων του Ιανουαρίου αλλά και η εξισορρόπηση, μετά το πέρας των δύο ετών, της θερμοκρασίας του εδάφους που βρίσκεται σε επαφή με την πλάκα του δαπέδου του κτιρίου. Πίνακας 5.12 Ενεργειακές απαιτήσεις Ιανουαρίου και θερμοκρασία εδάφους/πλάκας πριν από την 1 η ώρα λειτουργίας τον Ιανουάριο για το 1 ο, 2 ο και 3 ο έτος προσομοίωσης. Έτος προσομοίωσης: 1 ο 2 ο 3 ο Ενεργειακές απαιτήσεις για τον μήνα Ιανουάριο: Θερμοκρασία εδάφους/πλάκας πριν από την 1 η ώρα λειτουργίας τον Ιανουάριο: 10183kWh 9555 kwh 9328 kwh 15,9 ο C 16,6 ο C 16,5 ο C ΕΚΣΔ -90-

101 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Στην εικόνα 5.8 παρουσιάζεται η αισθητή μείωση των θερμικών φορτίων την πρώτη ημέρα λειτουργίας του σχολείου μετά από τις διακοπές των Χριστουγέννων, κατά το 3 ο έτος προσομοίωσης, σε σύγκριση με το 1 ο έτος. Για το λόγο αυτό, τα τελικά αποτελέσματα, που θεωρήθηκαν κατάλληλα για την περαιτέρω ανάλυση και αξιοποίησή τους στην παρούσα εργασία, ήταν αυτά του 3 ου έτους προσομοίωσης. Εικόνα 5.8 Ωριαία απαίτηση φορτίου (kw) για την 1η ημέρα λειτουργίας του έτους για κάθε έτος προσομοίωσης. Όσον αφορά το χρονικό βήμα της προσομοίωσης θεωρήθηκε ίσο με το χρονικό βήμα των υπολογισμών στο πολυζωνικό κτίριο, δηλαδή 1 ώρα, διότι: α) Το χρονικό βήμα προσομοίωσης του κτιρίου ήταν απαραίτητο να ορισθεί στη 1 ώρα για να γίνουν σωστά οι υπολογισμοί από το Type 56. β) Μικρότερο χρονικό βήμα προσομοίωσης από το χρονικό βήμα του κτιρίου δεν επέφερε αλλαγές στα αποτελέσματα. Συνοπτικά, λοιπόν: Ο χρόνος έναρξης της προσομοίωσης θεωρήθηκε η 1 η Μαΐου. Τα αποτελέσματα, που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς των επόμενων παραγράφων, είναι αυτά του 3 ου έτους προσομοίωσης. Το χρονικό βήμα της προσομοίωσης και το χρονικό βήμα της προσομοίωσης του κτιρίου είναι 1 ώρα. ΕΚΣΔ -91-

102 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Θερμικό φορτίο και απαιτήσεις κτιρίου για θέρμανση χωρίς πρωινή αναθέρμανση Για τον υπολογισμό του θερμικού φορτίου του κτιρίου έτρεξε το πρόγραμμα προσομοίωσης της δυναμικής θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου με σταθερή (μη μεταβαλλόμενη στον χρόνο) θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος -5,65 ο C, μηδενικές τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας και τις παρακάτω παραδοχές: - Σταθερή επιθυμητή θερμοκρασία χώρου σε όλες τις θερμενόμενες ζώνες 20 ο C - Ροή εξωτερικού αέρα στο κτίριο σταθερή (όπως στη δεύτερη γραμμή του πίνακα 5.5 κατά τον υπολογισμό του φορτίου της φυσικής διείσδυσης αέρα και όπως τη τρίτη γραμμή του πίνακα 5.5 κατά τον υπολογισμό του φορτίου ελάχιστου αερισμού). - Θερμοκρασία επιφάνειας δαπέδου ίση με 20 ο C (δεν υπολογίζονται δηλαδή οι απώλειες θερμότητας μέσω του δαπέδου προς το έδαφος). Με τον τρόπο αυτό δημιουργήθηκαν στο μοντέλο οι σταθερές συνθήκες που θεωρούνται δεδομένες για τον υπολογισμό των θερμικών απωλειών. Προέκυψαν έτσι τα φορτία αγωγιμότητας του κτιρίου (εκτός αυτών του δαπέδου) που είναι 30,3 kw. Εάν θεωρηθεί ότι οι θερμικές απώλειες από το δάπεδο προς το έδαφος του κτιρίου είναι 4,7 kw (όπως υπολογίστηκαν σύμφωνα με τον Κ.ΕΝ.Α.Κ. [16]) τότε τα θερμικά φορτία του κτιρίου είναι όπως στον πίνακα Πίνακας 5.13 Σύγκριση θερμικών φορτίων κτιρίου όπως προέκυψαν από τη προσομοίωση και τη μελέτη. Φορτία κτιρίου Προσομοίωση (χωρίς θερμογέφυρες) Μελέτη (με θερμογέφυρες κατά ΕΝ12831) Φορτίο ελάχιστου αερισμού 36,6 kw 31,9 kw Φορτίο φυσικής διείσδυσης αέρα 6,6 kw 7,4 kw Φορτίο αγωγιμότητας 30,2+4,7=34,9 kw 42 kw Τα αποτελέσματα αυτά δεν αποκλίνουν σημαντικά από αυτά που δίνονται στην πρόταση ενεργειακών επεμβάσεων [16] (73,9 kw για το κτίριο σε λειτουργία και 49,4 kw για το κτίριο εκτός λειτουργίας). Δηλαδή, το συνολικό θερμικό φορτίο που πρέπει να καλυφθεί από την ισχύ του συστήματος θέρμανσης κατά την κανονική λειτουργία του σχολείου είναι 71,5 kw. Για φυσικό αερισμό μόνο από τις χαραμάδες, το θερμικό φορτίο του κτιρίου είναι 41,5 kw (6,6+34,9 kw). Για τον προσδιορισμό απαιτήσεων του κτιρίου χωρίς πρωινή αναθέρμανση, η προσομοίωση έτρεξε τυπικό έτος υποθέτοντας απεριόριστη ισχύ του συστήματος θέρμανσης τόσο ως προς την παραγωγή όσο και ως προς τη διανομή θερμότητας στις ζώνες. Οι ώρες λειτουργίας ΕΚΣΔ -92-

103 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου του συστήματος θέρμανσης ορίστηκαν 8:00 με 14:00. Η επιθυμητή θερμοκρασία αέρα χώρου στους 20 ο C μόνο στο ωράριο λειτουργίας του σχολείου (εκτός του ωραρίου οι θερμοκρασίες στις ζώνες του σχολείου διαμορφώνονται αποκλειστικά με βάση τις δυναμικές θερμορροές προς το περιβάλλον). Ως αποτελέσματα προέκυψαν και αξιολογήθηκαν οι ωριαίες τιμές απαιτούμενης, από το σύστημα, θερμότητας για όλη τη θερμαντική περίοδο. Στην εικόνα 5.9 δίνονται διαγραμματικά οι ωριαίες τιμές της απαιτούμενης θερμότητας για την κάλυψη των απαιτήσεων του κτιρίου για 3 χαρακτηριστικές ημέρες της περιόδου θέρμανσης. Εικόνα 5.9 Ωριαίες απαιτήσεις θέρμανσης (kwh) κτιρίου για μια τυπική κρύα ημέρα Φεβρουαρίου (Τρίτη 01/02), μια τυπική κρύα πρώτη ημέρα της εβδομάδας (Δευτέρα 24/01) και την πρώτη ημέρα λειτουργίας του σχολείου μετά από τις διακοπές των Χριστουγέννων (Δευτέρα 10/01). Πρέπει να σημειωθεί ότι η μέγιστη τιμή της ενεργειακής απαίτησης δεν εμφανίζεται την πρώτη ώρα λειτουργίας της ημέρας, όπως θα ήταν αναμενόμενο, αλλά τη δεύτερη. Αυτό γίνεται επειδή το χρονικό βήμα της προσομοίωσης του κτιρίου είναι 1 ώρα και η επιθυμητή θερμοκρασία του χώρου, που ορίζεται από το χρήστη, θεωρείται από το πρόγραμμα ως η θερμοκρασία που πρέπει να επιτευχθεί στο τέλος του χρονικού βήματος (1 ώρα). Η μέση θερμοκρασία στη διάρκεια του χρονικού βήματος είναι μικρότερη από την επιθυμητή, με αποτέλεσμα να είναι μειωμένη η απαιτούμενη ενέργεια για την κάλυψη των θερμικών αναγκών. H επιρροή της θέρμανσης στη θερμική συμπεριφορά των δομικών στοιχείων, κατά την προσομοίωση, γίνεται με υστέρηση του χρονικού βήματος (1 ώρα). Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται σε κάθε προσομοίωση και επηρεάζει τα αποτελέσματα με αντίστοιχο τρόπο. ΕΚΣΔ -93-

104 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Διαπιστώνεται ότι η απαίτηση σε θερμική ενέργεια παρουσιάζει μια τυπικότητα, καθώς κατά τις πρώτες 2-3 ώρες λειτουργίας η απαίτηση είναι αυξημένη, έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η αναθέρμανση του κτιρίου, ενώ τις επόμενες ώρες είναι μειωμένη και χρησιμοποιείται μόνο για την κάλυψη των φορτίων θέρμανσης. Η μέγιστη ωριαία απαίτηση θέρμανσης των πρώτων ωρών για μια τυπική κρύα ημέρα (βλ. εικόνα 5.9: 82 kwh στις 9:00-10:00) ξεπερνά το θερμικό φορτίο του κτιρίου των 71,5 kw που έχει υπολογιστεί. Την πρώτη ημέρα λειτουργίας του σχολείου μετά το Σαββατοκύριακο (Δευτέρα) η ενεργειακή απαίτηση για θέρμανση είναι μεγαλύτερη (λόγω μεγαλύτερου φορτίου αναθέρμανσης) από την αντίστοιχη απαίτηση κατά τις ημέρες Τρίτη έως Παρασκευή. Οι ωριαίες απαιτήσεις ενέργειας για μια τυπική κρύα Δευτέρα δίνονται διαγραμματικά στην εικόνα 5.9 (μέγιστη ωριαία απαίτηση ενέργειας 159 kwh). Την πρώτη ημέρα λειτουργίας του σχολείου μετά από τις διακοπές των Χριστουγέννων το φορτίο αναθέρμανσης είναι ακόμη μεγαλύτερο και η αυξημένη ωριαία απαίτηση ενέργειας για θέρμανση όπως στην εικόνα 5.9. Η μέγιστη τιμή της ωριαίας απαίτησης θερμικής ενέργειας είναι 297 kwh και εμφανίζεται τη δεύτερη ώρα λειτουργίας του σχολείου. Αναλυτικά δίνονται οι συνολικές θερμικές απατήσεις σε ημερήσια και μηνιαία βάση για όλη τη θερμαντική περίοδο στα διαγράμματα 5.10 και 5.11 αντίστοιχα. Η συνολική ετήσια απαίτηση ενέργειας θέρμανσης είναι 26,4 MWh (21,1 kwh/m 2 ). Η υψηλότερη θερμική απαίτηση 9328 kwh (35,3% της συνολικής) παρατηρείται η κατά το μήνα Ιανουάριο, καθώς είναι ο μήνας με την χαμηλότερη μέση θερμοκρασία εξωτερικού αέρα (3,45 ο C). Τέλος, σημειώνεται ότι η ελάχιστη θερμοκρασία των χώρων του κτιρίου εμφανίζεται ακριβώς πριν από την έναρξη λειτουργίας και είναι 13 ο C. Εικόνα 5.10 Ημερήσιες απαιτήσεις ενέργειας για θέρμανση (kwh) για τη θερμαντική περίοδο. ΕΚΣΔ -94-

105 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Εικόνα 5.11 Μηνιαίες απαιτήσεις ενέργειας για θέρμανση (kwh) Το πρόβλημα της αναθέρμανσης του κτιρίου Από τα δεδομένα της προηγούμενης παραγράφου φάνηκε ότι για την κάλυψη των απαιτήσεων θέρμανσης τις πρώτες πρωινές ώρες λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης του σχολείου, τις ημέρες με χαμηλή θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος (μικρότερη από -2 ο C), η απαιτούμενη ισχύς του συστήματος είναι ιδιαίτερα μεγάλη και πολλαπλάσια του θερμικού φορτίου του κτιρίου. Συγκεκριμένα, κατά τη 2 η ώρα λειτουργίας του συστήματος απαιτούνται: Περίπου 82 kwh (κατά 15% του υπολογισμένου φορτίου) τις ημέρες Τρίτη-Παρασκευή που η παύση λειτουργίας του συστήματος είναι περίπου 17 h. Περίπου 159 kwh (2,2 φορές του υπολογισμένου φορτίου) τις Δευτέρες που η παύση λειτουργία του συστήματος είναι 65 h. Περίπου 297 kwh (4,1 φορές του υπολογισμένου φορτίου) τις ημέρες μετά από πολυήμερη παύση λειτουργίας του συστήματος. Οι υψηλές αυτές απαιτήσεις θέρμανσης τις πρώτες πρωινές ώρες λειτουργίας του συστήματος μετά από πολύωρη στάση, σχετίζονται με το γνωστό φορτίο αναθέρμανσης ή φορτίο λόγω διακοπτόμενης λειτουργίας του συστήματος. Πριν από την διερεύνηση του ζητήματος της αναθέρμανσης, επιχειρήθηκε να δοθεί απάντηση στο ερώτημα εάν ο τύπος της θερμομόνωσης αδιαφανών δομικών στοιχείων του κτιρίου παίζει σημαντικό ρόλο στη συνολική απαίτηση ενέργειας για θέρμανση. Οι ενεργειακές απαιτήσεις για θέρμανση του κτιρίου (που διαθέτει εξωτερική θερμομόνωση των εξωτερικών ΕΚΣΔ -95-

106 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου τοίχων και της οροφής), συγκρίθηκαν με αυτές του ίδιου κτιρίου στο οποίο όμως, η θερμομόνωση θεωρήθηκε τοποθετημένη στην εσωτερική πλευρά των δομικών στοιχείων. Τα δεδομένα για τη σύγκριση φαίνονται στην εικόνα Διαπιστώνεται ότι, η εφαρμογή της θερμομόνωσης από την εσωτερική πλευρά των δομικών στοιχείων προκαλεί μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων κατά περίπου 10% τον μήνα Ιανουάριο και 5% στη διάρκεια της θερμαντικής περιόδου. Η μείωση αυτή, στην περίπτωση κατά την οποία η εφαρμογή της θερμομόνωσης γίνεται εσωτερικά, παρατηρείται διότι κατά την αναθέρμανση τα δομικά στοιχεία παραλαμβάνουν μειωμένο ποσό θερμικής ενέργειας, καθώς η θερμοκρασία στην εσωτερική επιφάνεια του στοιχείου και, ως επακόλουθο, η θερμοκρασία του αέρα χώρου αυξάνονται γρηγορότερα. Εικόνα 5.12 Μηνιαίες απαιτήσεις ενέργειας για θέρμανση (kwh) με θερμομόνωση των δομικών στοιχείων του κτιρίου εσωτερικά. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια προσομοιώσεων της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου, έγινε προσπάθεια με στόχο την εύρεση ενός αποδεκτού σεναρίου πρωινής αναθέρμανσης του κτιρίου. Σύμφωνα με το πρόγραμμα αυτό το σύστημα θέρμανσης λειτουργεί για κάποιες ώρες πριν από την έναρξη του ωρολόγιου προγράμματος του σχολείου (8:30). Η διαδικασία αυτή στοχεύει στη μείωση κατά το δυνατόν της απαιτούμενης ισχύος των διατάξεων παραγωγής θερμότητας (λέβητας και αντλία θερμότητας) και ταυτόχρονα δεν οδηγεί σε σημαντική αύξηση των ετήσιων απαιτήσεων σε ενέργεια. Για να απομονωθούν ενεργειακά τα χαρακτηριστικά και οι απαιτήσεις αναθέρμανσης έγινε προσομοίωση για συνεχή λειτουργία του συστήματος θέρμανσης και σταθερή θερμοκρασία ΕΚΣΔ -96-

107 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου όλων των χώρων του σχολείου ίση με 20 ο C σε 24ωρη βάση. Η προσομοίωση αυτή αποτελεί το 1 ο σενάριο. Σύμφωνα με ένα 2 ο σενάριο, έγινε προσομοίωση για σταθερή επιθυμητή θερμοκρασία αέρα χώρων 20 ο C κατά τις ώρες λειτουργίας του σχολείου και 16 ο C όταν αυτό δε λειτουργεί. Ταυτόχρονα, η λειτουργία της θέρμανσης θεωρήθηκε ότι δεν ενεργοποιείται κατά την περίοδο των διακοπών των Χριστουγέννων από 24/12 μέχρι και 3/1. Εκτός από τα αποτελέσματα των παραπάνω προσομοιώσεων, στον πίνακα 5.14, δίνονται και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με λειτουργία θέρμανσης μόνο κατά τις ώρες λειτουργίας του σχολείου ( ) (Σενάριο 3). Όπως φαίνεται στον πίνακα 5.14, κατά το σενάριο 2 η μέγιστη ισχύς εμφανίζεται την ημέρα με τη χαμηλότερη θερμοκρασία η οποία είναι Πέμπτη, ενώ στα υπόλοιπα σενάρια κατά την 1 η ημέρα λειτουργίας μετά από τις διακοπές των Χριστουγέννων. Λόγω της συνεχούς (σενάριο 2) και της μερικώς συνεχούς (σενάριο 3) λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης, η μέγιστη ισχύ που απαιτείται είναι αντίστοιχα 86,1% και 40,9% μικρότερη από το αρχικό σενάριο. Αντίστοιχα κατά τις ημέρες Τρίτη έως Παρασκευή η μέγιστη ισχύς είναι μικρότερη κατά 71,9 % στο σενάριο 1 και κατά 27 % στο σενάριο 2 σε σχέση με το αρχικό σενάριο. Αντίθετα με τη μέγιστη τιμή τις ισχύος, η συνολική ετήσια απαίτηση είναι αυξημένη κατά 45% στο σενάριο 1 καθώς η θέρμανση λειτουργεί συνεχώς, ενώ στο σενάριο 2 είναι αυξημένη μόλις κατά 3,5%. Τα βασικά συμπεράσματα από τις παραπάνω προσομοιώσεις είναι: 1) Η συνεχής λειτουργία του συστήματος θέρμανσης με επιθυμητή θερμοκρασία χώρου στους 20 ο C αυξάνει σημαντικά τη συνολική απαιτούμενη ετήσια ενέργεια για θέρμανση. 2) Η ενεργοποίηση του συστήματος θέρμανσης, όταν το σχολείο δε λειτουργεί και ταυτόχρονα η θερμοκρασία των χώρων πέφτει κάτω από τους 16 ο C, δε μειώνει αισθητά τη μέγιστη θερμική ισχύ που πρέπει να μπορεί να ικανοποιήσει το σύστημα θέρμανσης του κτιρίου Ένα δεύτερο επίπεδο ανάλυσης του προβλήματος της αναθέρμανσης έγινε για να διερευνηθεί το κατάλληλο σενάριο αναθέρμανσης στο δεδομένο σύστημα της αντλίας θερμότητας με ισχύ 60 kw. Επειδή η εγκατάσταση του γεωθερμικού μέρους του συστήματος (αντλία θερμότητας και γεωεναλλάκτης) είναι εξαιρετικά υψηλού κόστους σε σχέση με αυτή του συμβατικού συστήματος (λέβητας θερμού νερού) αποφασίστηκε στην πρόταση ενεργειακών επεμβάσεων [16] την ισχύ αναθέρμανσης του κτιρίου τις πρώτες πρωινές ώρες να αναλαμβάνει ο λέβητας και όχι η αντλία θερμότητας. Η ισχύς της αντλίας θερμότητας ορίστηκε ίση με αυτή των ΕΚΣΔ -97-

108 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου κανονικών θερμικών φορτίων του κτιρίου (δηλαδή των φορτίων χωρίς την ισχύ αναθέρμανσης) δηλαδή 60 kw (σύμφωνα με την πρόταση). Διερευνήθηκε λοιπόν η επιλογή ωραρίου αναθέρμανσης του κτιρίου σε σχέση με τη μέγιστη διαθέσιμη ισχύ του λέβητα. Δοκιμάστηκαν τα σενάρια: - 1 ώρα αναθέρμανσης - 2 ώρες αναθέρμανσης - 3 ώρες αναθέρμανσης - 4 ώρες αναθέρμανσης Για τη μέγιστη διαθέσιμη ισχύ του λέβητα δόθηκαν οι τιμές 100, 120, 150 και 200 kw. Στα σενάρια λοιπόν αυτά που δοκιμάστηκαν, ο λέβητας αναλαμβάνει την αναθέρμανση του κτιρίου τις ώρες πριν την έναρξη του σχολικού προγράμματος (μέχρι τις 8:00), ενώ τις ώρες του προγράμματος (8:00-14:00) η αντλία θερμότητας με απόδοση ισχύος 60 kw επιχειρεί να καλύψει τις απαιτήσεις θέρμανσης. Οι παράμετροι με βάση τις οποίες αξιολογήθηκαν τα σενάρια ήταν : 1) Ώρες του κανονικού προγράμματος (8:00-14:00) στις οποίες η αντλία θερμότητας δεν επαρκεί για την κάλυψη των φορτίων και το έλλειμα αυτό ως ενεργειακή απαίτηση (kwh) και ως ποσοστό των τελικών απαιτήσεων 2) Οι συνολικές ετήσιες απαιτήσεις του κτιρίου για θέρμανση. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών φαίνονται στους πίνακες 5.15 ως 5.18 (σελ ). Από τα παραπάνω φαίνεται ότι: 1. Η ισχύς του λέβητα δεν μεταβάλλει σημαντικά τον αριθμό των ωρών κατά τη διάρκεια του κανονικού προγράμματος, στις οποίες η απαιτούμενη θερμαντική ισχύς ξεπερνά τα 60 kw. 2. Αναθέρμανση με διάρκεια μεγαλύτερη των 2 ωρών, ενώ επιφέρει σημαντική μείωση των ωρών κατά τη διάρκεια του κανονικού προγράμματος στις οποίες η απαιτούμενη θερμαντική ισχύς ξεπερνά τα 60 kw και της επιπλέον απαιτούμενης ισχύος κατά τις ώρες αυτές, αυξάνει την συνολική ετήσια απαιτούμενη ενέργεια θέρμανσης. Τελικά φαίνεται ότι το σενάριο με τις 2 ώρες αναθέρμανσης, και η επιλογή της ισχύος του λέβητά στα 100 kw και της αντλίας θερμότητας στα 60 kw, δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα για τη θέρμανσης του κτιρίου. ΕΚΣΔ -98-

109 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Πίνακας 5.14 Σύγκριση του μέγιστου θερμικού φορτίου για τα διάφορα σενάρια λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης. Σενάρια Ώρες λειτουργίας συστήματος θέρμανσης (επιθυμητή θερμοκρασία χώρου) Μέγιστη ισχύς που εμφανίζεται τις Δευτέρες (kw) Πίνακας 5.15 Αποτελέσματα προσομοίωσης του 1 ου σεναρίου (1 ώρα αναθέρμανση). Μέγιστη ισχύς που εμφανίζεται τις ημέρες: Τρίτη με Παρασκευή (kw) Πίνακας 5.16 Αποτελέσματα προσομοίωσης του 2 ου σεναρίου (2 ώρες αναθέρμανση). Μέγιστη ισχύς κατά την πρώτη ημέρα λειτουργίας στην αρχή του έτους (kw) Συνολική ετήσια απαίτηση για θέρμανση Αρχικό σενάριο 8:00-14:00 (20 ο C) ο σενάριο 0:00-24:00 (20 ο C) ο σενάριο Ισχύς συστήματος θέρμανσης (kw) 8:00-14:00 (20 ο C)/ 14:00-8:00 (16 ο C) Συνολικές ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης (επιθυμητή θερμοκρασία 20 ο C) (kwh) (kwh) Ώρες κανονικού προγράμματος στις οποίες η απαιτούμενη ισχύς είναι > 60kW Ποσοστό ωρών (%) Έλλειμα (kwh) Ποσοστό έλλειμα προς συνολικό (%) , , , , , , , ,8 Ισχύς συστήματος θέρμανσης (kw) Συνολικές ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης (επιθυμητή θερμοκρασία 20 ο C) (kwh) Ώρες κανονικού προγράμματος στις οποίες η απαιτούμενη ισχύς είναι > 60kW Ποσοστό ωρών (%) Έλλειμα (kwh) Ποσοστό έλλειμα προς συνολικό (%) , , , ,5 ΕΚΣΔ -99-

110 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Πίνακας 5.17 Αποτελέσματα προσομοίωσης του 3 ου σεναρίου (3 ώρες αναθέρμανση). Ισχύς συστήματος θέρμανσης (kw) Συνολικές ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης (επιθυμητή θερμοκρασία 20 ο C) (kwh) Ώρες κανονικού προγράμματος στις οποίες η απαιτούμενη ισχύς είναι > 60kW Πίνακας 5.18 Αποτελέσματα προσομοίωσης του 4 ου σεναρίου (4 ώρες αναθέρμανση). Ποσοστό ωρών (%) Έλλειμα (kwh) Ποσοστό έλλειμα προς συνολικό (%) , , , , , , ,4 Ισχύς συστήματος θέρμανσης (kw) Συνολικές ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης (επιθυμητή θερμοκρασία 20 ο C) (kwh) Ώρες κανονικού προγράμματος στις οποίες η απαιτούμενη ισχύς είναι > 60kW Ποσοστό ωρών (%) Έλλειμα (kwh) Ποσοστό έλλειμα προς συνολικό (%) , , , , , , , ,8 ΕΚΣΔ -100-

111 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Παραγωγή δεδομένων για χρήση από το μοντέλο προσομοίωσης των συστημάτων Για την παραγωγή δεδομένων για τις απαιτήσεις του κτιρίου από το σύστημα θέρμανσης (παραγωγή ωριαίων τιμών απαίτησης ισχύος όλη τη θερμαντική περίοδο) το κτίριο προσομοιώθηκε με βάση τις παρακάτω παραμέτρους: 1) Μέγιστη διαθέσιμη ισχύς λέβητα 100 kw. 2) Μέγιστη διαθέσιμη ισχύς αντλία θερμότητας 60 kw. Για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης και την επίτευξη των επιθυμητών θερμοκρασιών στους χώρους κρίθηκε απαραίτητο να εφαρμοσθεί μια διαδικασία ελέγχου και καθορισμού των χαρακτηριστικών της αναθέρμανσης. Η διαδικασία προσομοιώσεων ήταν βασισμένη στη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος και τα βήματα που ακολουθήθηκαν ήταν τα εξής: Βήμα 1 ο : Ανάλυση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Καταγραφή των στιγμών που η τιμή της θερμοκρασίας των ζωνών του κτιρίου είναι μικρότερη από την επιθυμητή. Βήμα 2 ο : Προσαρμογή της διάρκειας αναθέρμανσης και της πηγής (λέβητας ή αντλία θερμότητας) της θερμαντικής ισχύος κατά την αναθέρμανση, για να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία των 20 o C σε κάθε ζώνη κατά τις ώρες λειτουργίας του σχολείου. Βήμα 3 ο : Εκτέλεση της προσομοίωσης με τα νέα δεδομένα αναθέρμανσης. Η διαδικασία επανεκκινήθηκε για πεπερασμένο αριθμό επαναλήψεων, κατά την ολοκλήρωση των οποίων ορίσθηκε για το σύστημα αντλίας θερμότητας - λέβητα ένα ετήσιο ωρολόγιο πρόγραμμα. Το ετήσιο ωρολόγιο πρόγραμμα, που προτείνεται, φαίνεται στην εικόνα Αυτό καθορίζει τα εξής: Η αντλία θερμότητας δουλεύει πάντα κατά τις ώρες 9:00 με 14:00. Κατά την αναθέρμανση δουλεύει ή ο λέβητας ή η αντλία θερμότητας, ανάλογα με τις θερμικές ανάγκες του κτιρίου για τις ημερομηνίες που έχουν προκαθοριστεί. Η διάρκεια αναθέρμανσης είναι διαφορετική για την 1 η ημέρα της εβδομάδας και διαφορετική για τις υπόλοιπες, καθώς κατά το σαββατοκύριακο μειώνεται εντονότερα η θερμοκρασία του κτιρίου. Η διάρκεια αναθέρμανσης μεταβάλλεται, και αυτή, ανάλογα με τον μήνα του έτους. Παράλληλα με το ωρολόγιο πρόγραμμα θέρμανσης, από τη διαδικασία που ακολουθήθηκε, προέκυψαν οι παρακάτω επιπλέον προτάσεις. Η εφαρμογή των προτάσεων οδηγεί σε ΕΚΣΔ -101-

112 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου βελτίωση της θερμοκρασιακής συμπεριφοράς του σχολείου κατά τις ώρες των μαθημάτων τόσο κατά την προσομοίωση, όσο και κατά την πραγματική λειτουργία. Παρατηρήθηκε ότι η θερμοκρασία των ζωνών κατά τις πρώτες ημέρες λειτουργίας, μετά το 15ήμερο των διακοπών των Χριστουγέννων, ήταν χαμηλή. Η θερμοκρασία του κτιρίου κατά τη διάρκεια των διακοπών, που το σχολείο είναι κλειστό, πέφτει στους 13 o C. Η θερμική ικανότητα του συστήματος θέρμανσης δεν επαρκεί να καλύψει την απαιτούμενη ισχύ για την αναθέρμανση του κτιρίου στην αρχή του έτους. Με αφορμή αυτή την παρατήρηση, προτείνεται να τεθεί σε λειτουργία ο λέβητας για ένα 24ωρο πριν την έναρξη των μαθημάτων, δηλαδή στις 7 Ιανουαρίου, έτσι ώστε να αναθερμανθεί πλήρως το κτίριο. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι η ωριαία μέση θερμοκρασία των ζωνών ήταν κατά 0,5 με 1 βαθμό χαμηλότερη από τους 20 o C. Για το λόγο αυτό, η τιμή της επιθυμητής εσωτερικής θερμοκρασίας των ζωνών κατά τις ώρες λειτουργίας ορίσθηκε στο στοιχείο του πολυζωνικού κτιρίου στους 20,5 o C, έναντι των 20 o C που επιλέγεται στην πραγματικότητα. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η επιθυμητή θερμοκρασία των 20 o C στους χώρους του σχολείου. Εικόνα 5.13 Ετήσιο ωρολόγιο πρόγραμμα θέρμανσης. ΕΚΣΔ -102-

113 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Στις εικόνες 5.14 με 5.16 δίνονται τα ωραία προφίλ των θερμαντικών φορτίων για διάφορες τυπικές μέρες. Με μπλε χρώμα δίνονται τα φορτία που ικανοποιούνται από την αντλία θερμότητας ενώ με κόκκινο αυτά που ικανοποιούνται από τον λέβητα. Φαίνεται χαρακτηριστικά στις εικόνες ότι είναι απαραίτητη η χρήση του λέβητα για την πρωινή αναθέρμανση του κτιρίου, καθώς για την κάλυψη του φορτίου απαιτείται η πλήρες λειτουργία του (100 kw) για μερικές ώρες σε μια κρύα ημέρα. Εικόνα 5.14 Ωραίο προφίλ απαίτησης ισχύος για θέρμανση (kw) για μια τυπική κρύα Δευτέρα. Εικόνα 5.15 Ωραίο προφίλ απαίτησης ισχύος για θέρμανση (kw) για μια τυπική κρύα ημέρα ενδιάμεσα στην εβδομάδα. ΕΚΣΔ -103-

114 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Εικόνα 5.16 Ωριαίο προφίλ απαίτησης ισχύος για θέρμανση (kw) για την 1η ημέρα λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης. Στην εικόνα 5.17 δίνονται οι ημερήσιες τιμές της απαίτησης ενέργειας για ένα έτος. Η μεγαλύτερη ημερήσια απαίτηση ενέργειας εμφανίζεται τη Δευτέρα 17 Ιανουαρίου και είναι 818 kwh (63.7% ικανοποιείται από την αντλία θερμότητας και το υπόλοιπο 36.3% από το λέβητα). Εικόνα 5.17 Ημερήσια απαίτηση ενέργειας για θέρμανση (kwh) για μια θερμαντική περίοδο. ΕΚΣΔ -104-

115 Κεφ. 5: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου Στην εικόνα 5.18 δίνονται οι μηνιαίες απαιτήσεις ενέργειας για θέρμανση. Η μέγιστη τιμή της μηνιαίας απαίτησης εμφανίζεται τον Ιανουάριο (10122 kwh), το 43,8% ικανοποιείται από την αντλία θερμότητας ενώ το υπόλοιπο από το λέβητα. Το ποσοστό αυτό (43,8%) είναι μικρότερο κατά περίπου 16 μονάδες σε σχέση με το ετήσιο ποσοστό (60,8%) που φαίνεται στην εικόνα Η συνολική ετήσια απαίτηση ενέργειας θερμότητας είναι kwh. Εικόνα 5.18 Μηνιαία απαιτούμενη ενέργεια θέρμανσης (kwh). Εικόνα 5.19 Συνολική ετήσια απαίτηση ενέργειας θέρμανσης (kwh). Εικόνα 5.20 Ετήσιες ώρες λειτουργίας των συσκευών θέρμανσης. ΕΚΣΔ -105-

116 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 6. Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 6.1. Η φυσική διάταξη του συστήματος Η φυσική διάταξη του συστήματος θέρμανσης και η περιγραφή της λειτουργίας του παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 2 (εικόνα 2.6). Η παραγωγή θερμότητας στο σύστημα γίνεται είτε από έναν λέβητα νερού με καυστήρα πετρελαίου είτε από μια αντλία θερμότητας νερούνερού που είναι συζευγμένη με γεωεναλλάκτη. Δύο πεδία ηλιακών συλλεκτών είναι σε θέση να μεταφέρουν ηλιακή θερμότητα όλο το χρόνο απευθείας στο γεωεναλλάκτη. Ο γεωεναλλάκτης αποτελείται από 18 κατακόρυφες γεωτρήσεις που καθεμία έχει διπλό βρόχο. Ο ένας βρόχος συνδέεται στο πρωτεύον δίκτυο της αντλίας θερμότητας ενώ ο άλλος βρόχος συνδέεται στην ηλιακή διάταξη. Η διανομή της θερμότητας στο κτίριο γίνεται μέσω του υπάρχοντος δικτύου θερμαντικών σωμάτων αλλά και ενός νέου δικτύου μονάδων ανεμιστήρα στοιχείου (fan coils). Οι διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του συστήματος φαίνονται στις εικόνες 6.1.α-6.1.δ. Εικόνα 6.1 Καταστάσεις λειτουργίας φυσικού συστήματος. ΕΚΣΔ -106-

117 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Βασικό χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι προβλέπεται η επιτάχυνση της «αναγέννησης» του πεδίου των γεωτρήσεων με τη βοήθεια της ηλιακής διάταξης. Η μεταφορά της ηλιακής θερμότητας δε γίνεται μόνον κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης, αλλά όλο το χρόνο και ιδιαίτερα το καλοκαίρι. Στην περίπτωση μάλιστα αυτή υπάρχει μία μικρή και σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας του υπεδάφους στην περιοχή από χρόνο σε χρόνο και, επομένως, μία σταδιακή αύξηση του βαθμού συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας Η διάταξη του συστήματος στο TRNSYS Η διαστασιολόγηση των συσκευών και των διατάξεων του συστήματος θέρμανσης έγινε στην ενεργειακή και στην ηλεκτρομηχανολογική μελέτη. Με δεδομένες τις βασικές παραμέτρους του συστήματος, η θερμική του συμπεριφορά προσομοιώθηκε με τη βοήθεια του TRNSYS. Η προσομοίωση μέσω του TRNSYS απαιτεί την παραλλαγή της φυσικής διάταξης του συστήματος θέρμανσης. Το λειτουργικό διάγραμμα της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις φαίνεται στην εικόνα 6.2. Εικόνα 6.2 Το λειτουργικό διάγραμμα του παραλλαγμένου συστήματος. ΕΚΣΔ -107-

118 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 6.3. Εναλλακτικά σενάρια Μαζί με το σύστημα που προτάθηκε για το κτίριο προσομοιώθηκε και η λειτουργία άλλων τεσσάρων διαφορετικών διατάξεων συστημάτων ώστε να συγκριθούν μεταξύ τους διαφορετικές λύσεις σχεδιασμού. Η λειτουργία όλων των συστημάτων προσομοιώθηκε για 20 έτη. Τα συστήματα που προσομοιώθηκαν και άρα τα διαφορετικά σενάρια ήταν τα εξής: 1. Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου χωρίς πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης 2. Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης 3. Σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης 4. Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου γεωθερμικής αντλίας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης 5. Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου και γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης και ηλιακή υποβοήθηση από: α) δύο πεδία 24 m 2 στις κλίσεις των στεγών (προτεινόμενη λύση) β) ένα πεδίο 72 m 2 στη βέλτιστη κλίση Για τους υπολογισμούς της πρωτογενούς ενέργειας και των εκλυόμενων ρύπων χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές μετατροπής σύμφωνα με την Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010 [17] και κατά την απόφαση της 9/11/2007 του European Union Official Journal L301/14 που δημοσιεύτηκε στις 20/11/2007, που φαίνονται στον πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1 Συντελεστές αναγωγής της κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος σε πρωτογενή ενέργεια. Πηγή ενέργειας Συντελεστής μετατροπής σε Εκλυόμενοι ρύποι ανά μονάδα πρωτογενή ενέργεια ενέργειας (kgco2/kwh) Πετρέλαιο θέρμανσης 1,1 0,264 2,9 (Ελληνική οδηγία) Ηλεκτρική ενέργεια 0,989 2,5 (Ευρωπαϊκή οδηγία) 6.4. Βασικές παραδοχές και δεδομένα 1. Κλειστά κυκλώματα κατακόρυφων γεωτρήσεων Το στοιχείο προσομοίωσης της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας του TRNSYS (Type DST model) δεν έχει τη δυνατότητα να προσομοιώσει γεωεναλλάκτες τύπου διπλού βρόχου ΕΚΣΔ -108-

119 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης με τον ένα βρόχο στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας και τον άλλο σε άλλο κύκλωμα. Θεωρήθηκε, λοιπόν, παραλλαγή του συστήματος, όπως φαίνεται στο λειτουργικό διάγραμμα (εικόνα 6.2). Ο γεωεναλλάκτης θεωρήθηκε μονού βρόχου. Η διασύνδεση της ηλιακής διάταξης στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας γίνεται όχι μέσω των βρόχων του γεωεναλλάκτη αλλά μέσω ενός «εξωτερικού» εναλλάκτη θερμότητας του οποίου ο βαθμός απόδοσης θεωρήθηκε ίσος με 1,0. Έτσι, η ηλιακή θερμότητα δε μεταφέρεται στο έδαφος απευθείας, αλλά μέσω του εξωτερικού εναλλάκτη θερμότητας. Οι διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του συστήματος φαίνονται στις εικόνες 6.3.α.-6.3.δ. Εικόνα 6.3 Καταστάσεις λειτουργίας του παραλλαγμένου συστήματος. Είναι σαφές ότι στην περίπτωση απλής λειτουργίας της αντλίας θερμότητας (εικόνα 6.3.β) είτε μόνον του ηλιακού συστήματος, το παραλλαγμένο σύστημα δε διαφέρει από το πραγματικό. Στην περίπτωση όμως της ταυτόχρονης λειτουργίας της αντλίας θερμότητας και της ηλιακής διάταξης στο παραλλαγμένο σύστημα, στην ενέργεια που απορροφά το πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας από το υπέδαφος «αθροίζεται» και η ηλιακή θερμότητα που μεταφέρεται στο κύκλωμα μέσω του εξωτερικού εναλλάκτη θερμότητας (εικόνα 6.3.γ). ΕΚΣΔ -109-

120 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 2. Ομαδοποίηση και τροφοδοσία κατακόρυφων γεωτρήσεων Η ομαδοποίηση και ο τρόπος τροφοδοσίας των γεωτρήσεων έγινε όπως στη μελέτη. Η διάταξη αποτελείται από έξι κυκλώματα, καθένα με τρεις γεωτρήσεις. Αυτές τροφοδοτούνται ως εξής: - από τις εσωτερικές προς τις εξωτερικές, σε λειτουργία φόρτισης του εδάφους, - από τις εξωτερικές προς τις εσωτερικές, σε λειτουργία αποφόρτισης του εδάφους. 3. Διάταξη κατακόρυφων γεωτρήσεων Η διάταξη των κατακόρυφων γεωτρήσεων στην περιοχή της αποθήκης όπως προτείνεται στη μελέτη δεν είναι επιλέξιμη για το Type 557 του TRNSYS. Στο Type 557 οι γεωτρήσεις κατανέμονται ομοιόμορφα στην περιοχή της υπεδάφιας αποθήκης. Έτσι, η διάταξη σε πρισματικό κάνναβο, που προτείνεται στη μελέτη, δε μπορεί να θεωρηθεί στην προσομοίωση. Ακολουθήθηκε η διάταξη που φαίνεται στην εικόνα 6.4 ως πλησιέστερη. Παρότι η γεωμετρία είναι διαφορετική, μπορεί κανείς να υποθέσει ότι οι θερμικές συμπεριφορές των δύο διατάξεων δεν αποκλίνουν σε μεγάλο βαθμό μεταξύ τους. 4. Αλληλεπίδραση κτιρίου-συστήματος θέρμανσης Στις προσομοιώσεις δε λήφθηκε υπόψη η θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ του κτιρίου και του συστήματος θέρμανσης. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκαν δύο «TRNSYS studio projects»: - ένα για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου - ένα για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης. Με το πρώτο υπολογίστηκαν τα φορτία του κτιρίου που στη συνέχεια πέρασαν ως δεδομένα στο δεύτερο για την προσομοίωση του συστήματος θέρμανσης. 5. Διανομή της θερμότητας Αυτή θεωρήθηκε ότι γίνεται απευθείας στο κτίριο 50% με ακτινοβολία και 50% με συναγωγή. Η προσαρμογή του συστήματος διανομής στο θερμικό φορτίο θεωρείται τέλεια: μεταβάλλεται κατά την προσομοίωση η παροχή του νερού στο σύστημα διανομής ώστε να αποδοθεί στο κτίριο το απαιτούμενο φορτίο για σταθερή διαφορά θερμοκρασίας προσαγωγής-επιστροφής νερού ίση με 5 ο C. Θεωρήθηκε επίσης συνολική θερμοχωρητικότητα του συστήματος διανομής που αντιστοιχεί σε 1,5 m 3 νερού. 6. Δοχείο αδρανείας Κατά την μελέτη στο δευτερεύον δίκτυο της αντλίας θερμότητας εγκαθίσταται ένα δοχείο αδρανείας που τροφοδοτείται από την αντλία θερμότητας (έξοδος από το συμπυκνωτή της αντλίας θερμότητας-είσοδος στο δοχείο). Κατά τις προσομοιώσεις θεωρήθηκε ότι το δοχείο ΕΚΣΔ -110-

121 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης εγκαθίσταται ώστε να τροφοδοτείται από το δίκτυο διανομής (έξοδος από το δοχείο-είσοδος στο συμπυκνωτή της αντλίας θερμότητας). 7. Αρχικές συνθήκες προσομοιώσεων και εξαγωγή αποτελεσμάτων Το σύστημα προσομοιώθηκε σε χρονικό ορίζοντα 20 ετών με βήμα 1 min. Η ημερομηνία έναρξης λειτουργίας του συστήματος ήταν η 1 η Μαΐου. Τα αποτελέσματα εξάγονται με χρονικό βήμα μίας ώρας. Τα ενεργειακά μεγέθη (θερμορροές) ολοκληρώνονται ανά ώρα. Όπου εξάγονται ωριαίες τιμές θερμοκρασιών (δικτύων, συσκευών, αποθήκης κλπ.) αυτές είναι μέσες τιμές των αντίστοιχων μεγεθών αυτές τις ώρες Το στοιχείο προσομοίωσης της θερμικής συμπεριφοράς του γεωεναλλάκτη (Duct Ground Heat Storage - DST) Το μοντέλο DST προήλθε από τις αναλύσεις και τις επεξεργασίες που έγιναν στο πανεπιστήμιο του Lund, στη Σουηδία. Το μοντέλο προσομοιώνει τη θερμική συμπεριφορά μιας κατακόρυφης υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας με κυλινδρικό σχήμα και κατακόρυφες γεωτρήσεις με σωλήνα τύπου U (U-tubes) ομοιογενώς κατανεμημένες σε αυτήν (εικόνα 6.4). Το μοντέλο προβλέπει το θερμοκρασιακό πεδίο σε χαρακτηριστικά σημεία της αποθήκηςγεωεναλλάκτη για μεταβαλλόμενες στο χρόνο θερμορροές προς αυτόν ή από αυτόν [7]. Εικόνα 6.4 Εγκατάσταση κατακόρυφου γεωεναλλάκτη [27]. Τα βασικά σημεία του μοντέλου είναι όπως παρακάτω: Η πρώτη θερμική διεργασία είναι αυτή της μεταφοράς θερμότητας από το ρευστό που ρέει στους σωλήνες των U-tubes προς την περιοχή του εδάφους αμέσως έξω από το U-tube, δηλαδή στην περίμετρο κάθε γεώτρησης. Η διεργασία αυτή αναλύεται στη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή από το ρευστό προς τα τοιχώματα του σωλήνα, στη μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα στον ίδιο το σωλήνα και στη συνέχεια, επίσης με αγωγιμότητα, από τα εξωτερικά τοιχώματα του σωλήνα προς την περίμετρο της γεώτρησης. Λαμβάνονται επίσης υπόψη θερμικές αντιστάσεις επαφής των σωλήνων με το υλικό πλήρωσης, όπως και τα φαινόμενα ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ των σωλήνων και αυτό της καθ ύψος ΕΚΣΔ -111-

122 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης μεταβολής της θερμοκρασίας του ρευστού σε κάθε σωλήνα. Η θερμοχωρητικότητα του ρευστού, των σωλήνων και του υλικού πλήρωσης δε λαμβάνεται υπόψη. Συνολικά υιοθετείται ο όρος της ισοδύναμης θερμικής αντίστασης μεταξύ του ρευστού και του εδάφους Rb (fluid-to-ground thermal resistance [K/W/m]) για την οποία ισχύει η σχέση [7]: όπου: - q: η ροή θερμότητας - T f R * b : η μέση θερμοκρασία του ρευστού T f q T - T b : η μέση θερμοκρασία στην περίμετρο της γεώτρησης. Η θερμική αυτή αντίσταση μπορεί να υπολογιστεί με πολλές μεθόδους και είναι το πρώτο απαραίτητο μέγεθος για κάθε προσομοίωση. Σχετίζεται με τις θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών της γεώτρησης (ρευστό, σωλήνες, υλικό πλήρωσης), τις συνθήκες ροής και τη γεωμετρία των U-tubes (αριθμός σωλήνων ανά γεώτρηση, διάμετρος σωλήνων, αποστάσεις μεταξύ τους, διάμετρος και μήκος γεώτρησης). Η δεύτερη θερμική διεργασία θεωρείται ότι είναι αυτή που εξελίσσεται τοπικά (local thermal process) στην περιοχή του εδάφους αμέσως έξω από την περίμετρο κάθε γεώτρησης μέχρι και τα όρια προς τις γειτονικές γεωτρήσεις (εικόνα 6.5). b Εικόνα 6.5 Όρια μεταξύ γειτονικών γεωτρήσεων. Εξαγωνική και ορθογωνική διατομή γεώτρησης (τοπικό πρόβλημα) [7]. Σε κάθε U-tube λοιπόν αντιστοιχεί μια περιοχή του εδάφους Ap μα διατομή εξαγωνική ή τετραγωνική στην οποία αντιστοιχεί μια μέση θερμοκρασία Tm. Αυτό που ενδιαφέρει είναι η σχέση μεταξύ της ροής θερμότητας από το U-tube q(t) και της διαφοράς θερμοκρασίας Tf-Tm. Οποιαδήποτε θερμορροή μεταβαλλόμενη στο χρόνο διακριτοποιείται, με τη μέθοδο της επαλληλίας, σε απλούστερες ροές. Με τη μέθοδο αυτή (step pulse analysis) οποιαδήποτε θερμορροή q(t) αντιμετωπίζεται ως μια σειρά από ροές σταθερής έντασης (παλμοί) που «εκκινούν» σε διαφορετικούς χρόνους. Με τη μέθοδο αυτή η επίλυση του προβλήματος ΕΚΣΔ -112-

123 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης οδηγείται προς την άθροιση των λύσεων για το θεμελιώδες πρόβλημα με σταθερής έντασης ροή θερμότητας μεγάλης διάρκειας [7]. Η επίλυση αυτού του θεμελιώδους προβλήματος γίνεται με την παραδοχή ότι μετά την παρέλευση συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος από την έναρξη της εκπομπής θερμότητας σταθερής έντασης q (παλμός) αποκαθίσταται η πλήρης θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ των U-tubes της αποθήκης. Τότε στα όρια της περιοχής Ap κάθε γεώτρησης, όπως στην εικόνα 6.4, αυτά δηλαδή προς τις γειτονικές γεωτρήσεις, η ροή θερμότητας είναι μηδενική, το προφίλ της θερμοκρασίας έξω από τη γεώτρηση και μέχρι τα όρια της παραμένει αμετάβλητο (ως μορφή) και οι θερμοκρασίες σε κάθε σημείο της περιοχής αυξάνονται με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό (εικόνα 6.6). Εικόνα 6.6 Εξέλιξη θερμοκρασιών στην ακτινική διεύθυνση [7]. Η λύση αυτού του προβλήματος (steady flux process) μπορεί να γίνει αναλυτικά για πολλές μορφές γεωεναλλακτών με τη βοήθεια της θεωρίας της κυλινδρικής εκπομπής και της μεθόδου του μετασχηματισμού Laplace (Carslaw και Jaeger, 1959). Για το στοιχειώδη παλμό q στην περιοχή Ap με μέση θερμοκρασία Tm και θερμοκρασία ρευστού Tf : T f T m q R sf με τον παράγοντα Rsf να προσδιορίζεται για το steady flux process αναλυτικά, με γενική μορφή: R 1 R' c 2 sf R b όπου: - λ : η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους - R : ένας υπολογιζόμενος όρος για κάθε διαφορετική γεωμετρία του προβλήματος - R b : η αντίσταση ρευστού-εδάφους, όπως παραπάνω ΕΚΣΔ -113-

124 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης - c : συντελεστής Για την περίπτωση του απλού κυλίνδρου εκπομπής σε κυκλική-εξαγωνική περιοχή Ap, περίπτωση στην οποία μπορούν να οδηγηθούν συνθετότερες γεωμετρίες, ισχύει: r 1 r 1 3 rb R' ln r1 r b r b 4 2 ( r1 rb ) όπου r1 η ακτίνα της κυκλικής περιοχής Ap και rb η ακτίνα του κυλίνδρου εκπομπής (γεώτρηση). Η μέση θερμοκρασία Tm στις περιοχές της αποθήκης μεταβάλλεται τέλος στις τρεις διαστάσεις της αποθήκης, λόγω μεταφοράς της θερμότητας από τις περιοχές της αποθήκης στις γειτονικές περιοχές του εδάφους (περίμετρος και πυθμένας της αποθήκης) και προς το υπερκείμενο στρώμα εδάφους και μέσω αυτού προς τον εξωτερικό αέρα. Αυτές οι διεργασίες χαρακτηρίζονται στο μοντέλο DST ως γενική διεργασία (global process). Οι επιλύσεις της γενικής διεργασίας εμπλέκονται με τους ρυθμούς ροής θερμότητας προς και από την αποθήκη, όχι όμως με την τοπική διεργασία (local process). Το πρόβλημα της γενικής διεργασίας επιλύεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών, αφού η αποθήκη διαχωριστεί σε περιοχές. Το μοντέλο DST υπάρχει στο TRNSYS ως Type 557 στη βιβλιοθήκη των στοιχείων αβαθούς γεωθερμίας (Geothermal Heat Pump Library - TESS) και είναι αυτόνομο, δηλαδή δεν αλληλοεπιδρά με άλλα στοιχεία. Το υπέδαφος κατά το DST μπορεί να διαχωριστεί σε πολλαπλά οριζόντια στρώματα με ιδιαίτερες θερμοφυσικές ιδιότητες το καθένα. Σε αυτό θεωρούνται Ν γεωτρήσεις ομοιόμορφα κατανεμημένες, σε καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί περιοχή με διατομή A γεω=π (0,525 Β) 2. Η υπεδάφια αποθήκη είναι ένας κατακόρυφος κύλινδρος με διατομή Α απ=ν π (0,525 B) 2 και βάθος D όσο το βάθος των γεωτρήσεων. Ο όγκος της αποθήκης ισούται με V απ=d Α απ. Επάνω από τις κεφαλές των γεωτρήσεων, όπως και στην περίμετρο του πεδίου των γεωτρήσεων, μπορεί να θεωρηθεί μονωτικό στρώμα. Οι γεωτρήσεις έχουν χαρακτηριστικά που μπορούν να τεθούν ως δεδομένα, ενώ η διασύνδεσή τους σε οριζόντια κυκλώματα μπορεί επίσης να δοθεί. Οι παράμετροι, οι μεταβλητές εισόδου και οι μεταβλητές εξόδου του στοιχείου προσομοίωσης της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας επεξηγούνται παρακάτω [28, 13, 18]. α) Παράμετροι 1. Χαρακτηριστικά υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας: ΕΚΣΔ -114-

125 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης - Γεωμετρία (αριθμός γεωτρήσεων, βάθος γεωτρήσεων, απόσταση μεταξύ γεωτρήσεων, βάθος κεφαλών γεωτρήσεων, ακτίνα γεώτρησης) - Ομαδοποίηση των γεωτρήσεων (αριθμός γεωτρήσεων που συνδέονται σε σειρά, όταν οι γεωτρήσεις είναι συνδεδεμένες σε σειρά, η έξοδος της μίας αποτελεί την είσοδο στην επόμενη.) - Διαχωρισμός της αποθήκης σε περιοχές (αριθμός ακτινικών περιοχών, αριθμός κατακόρυφων περιοχών) (εικόνα 6.5). Το γινόμενο των ακτινικών με τις κατακόρυφες είναι το σύνολο των περιοχών στο οποίο θα διαχωριστεί η αποθήκη. - Θερμοφυσικές ιδιότητες του εδάφους (συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, ειδική θερμότητα κατ όγκο) 2. Χαρακτηριστικά μεμονωμένων γεωτρήσεων (θερμική αντίσταση ρευστού-εδάφους, θερμική αντίσταση μεταξύ των σωλήνων του βρόχου) 3. Χαρακτηριστικά ρευστού (πυκνότητα, ειδική θερμότητα) 4. Χαρακτηριστικά πιθανής μόνωσης επάνω ή γύρω από το γεωεναλλάκτη: - Ένδειξη μονωμένης ή αμόνωτης αποθήκης. - Γεωμετρία (πάχος και ύψος ή πλάτος (ανάλογα με το αν εγκαθίσταται καθ ύψος ή ακτινικά)) - Θερμοφυσικές ιδιότητες (συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας της μόνωσης) 5. Άλλα χαρακτηριστικά: - Διάρκεια προσομοίωσης - Προβλεπόμενη μέγιστη θερμοκρασία ρευστού - Αρχική θερμοκρασία εδάφους - Γεωθερμική βαθμίδα - Προθέρμανση αποθήκης (διάρκεια προθέρμανσης, μέγιστη και ελάχιστη προβλεπόμενη θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας κατά την προθέρμανση, ημέρα κατά την οποία εμφανίζεται η ελάχιστη θερμοκρασία της αποθήκης, μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος, εύρος θερμοκρασίας αέρα περιβάλλοντος, ημέρα κατά την οποία εμφανίζεται η ελάχιστη θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος) - Χαρακτηριστικά στρωμάτων εδάφους (πλήθος στρωμάτων, συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας κάθε στρώματος, ειδική θερμότητα κάθε στρώματος, βάθος κάθε στρώματος) ΕΚΣΔ -115-

126 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία εισόδου ρευστού στο πεδίο των γεωτρήσεων 2. Παροχή ρευστού στο πεδίο των γεωτρήσεων 3. Θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος 4. Θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους, πάνω από την αποθήκη (μπορεί να ταυτίζεται με τη θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος ή με τη θερμοκρασία του χώρου που βρίσκεται πάνω από το πεδίο) 5. Σηματοδότηση λειτουργίας πρόσδοσης ή απολαβής θερμότητας. Σχετίζεται με την κατεύθυνση του ρευστού μέσα στο πεδίο των γεωτρήσεων, και (κατά συνέπεια) με την κατεύθυνση της θερμορροής (εικόνα 6.7). Το σήμα ελέγχου δίνεται με δύο τιμές: - -1: Απολαβή θερμότητας (ροή από τις εξωτερικές προς τις εσωτερικές γεωτρήσεις) - 1: Πρόσδοση θερμότητας (ροή από τις εσωτερικές προς τις εξωτερικές γεωτρήσεις) Εικόνα 6.7 Κατεύθυνση θερμορροής στις περιοχές της υπεδάφιας αποθήκης. γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία εξόδου ρευστού από το πεδίο των γεωτρήσεων 2. Παροχή ρευστού από το πεδίο των γετρήσεων 3. Μέση θερμοκρασία της αποθήκης 4. Ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από το ρευστό προς το υπέδαφος (Q): Έχει θετικό πρόσημο όταν προσδίδεται ενέργεια στην αποθήκη και αρνητικό όταν απορροφάται ενέργεια από την αποθήκη 5. Απώλειες της αποθήκης (L). Το θετικό πρόσημο του μεγέθους μεταφράζεται σε απώλειες, ενώ το αρνητικό σε κέρδη. Χωρίζονται σε απώλειες: i. από την επάνω επιφάνεια της αποθήκης προς το περιβάλλον ii. από την περίμετρο της αποθήκης προς το έδαφος εκτός των ορίων της iii. από το κατώτερο τμήμα της αποθήκης προς το έδαφος εκτός των ορίων της ΕΚΣΔ -116-

127 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 6. Μεταβολή εσωτερικής ενέργειας (ΔU). Ορίζεται από τη σχέση ΔU=Q-L. Τα χαρακτηριστικά του πεδίου των κατακόρυφων γεωτρήσεων δόθηκαν όπως στον πίνακα 6.2: Πίνακας 6.2 Δεδομένα κατά τις προσομοιώσεις του πεδίου κατακόρυφων γεωτρήσεων. Μέγεθος Τιμή Μονάδες 3 ο σενάριο 4 ο σενάριο 5 ο σενάριο Θερμοφυσικές και γεωμετρικές ιδιότητες κατακόρυφης υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας Βάθος γεωτρήσεων m Αριθμός γεωτρήσεων Θερμική αντίσταση ρευστού-εδάφους 0,183 0,183 0,1014 m K/W Αριθμός γεωτρήσεων σε σειρά Κατακόρυφες υποπεριοχές (βλ. εικόνα 6.8) Ακτινικές υποπεριοχές (βλ. εικόνα 6.8) Συντελεστής θερμική αγωγιμότητα εδάφους 2 W/(m K) Ειδική κατ όγκο θερμότητα εδάφους 2100 MJ/(m 3 K) Διάμετρος γεώτρησης 0,12 m Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού πλήρωσης (μίγμα μπετονίτη-άμμου-νερού) 1,5 W/(m K) Διαστάσεις σωλήνων βρόχων 32x2,9 mm Υλικό σωλήνων βρόχου Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) Θερμοφυσικές ιδιότητες ρευστού πλήρωσης σωληνώσεων βρόχων (15% κατ όγκο διάλυμα προπυλενογλυκόλης) Σημείο πήξης -5,1 ο C Πυκνότητα (15 o C) 1015 kg/m 3 Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (15 o C) 0,505 W/(m K) Ειδική θερμότητα (15 o C) 4,0145 kj/(kg K) Δυναμικό ιξώδες (15 o C) 1,995 mpa s Αρχικές συνθήκες Αρχική θερμοκρασία της υπεδάφιας 14,05 ο C αποθήκης θερμότητας Μόνωση αποθήκης Όχι - Προθέρμανση αποθήκης Όχι - Θερμική αλληλεπίδραση μεταξύ των Όχι - σωληνώσεων των βρόχων Γεωθερμική βαθμίδα 0,033 ο C/m Χαρακτηριστικά αέρα περιβάλλοντος Μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος Εύρος διακύμανσης της θερμοκρασίας αέρα περιβάλλοντος Ημέρα στην οποία εμφανίζεται η χαμηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος 14,05 ο C 10,23 ο C 12 η ημέρα του έτους - ΕΚΣΔ -117-

128 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.8 Διαχωρισμός υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας σε 12 περιοχές (5 ο σενάριο) Το στοιχείο προσομοίωσης της αντλίας θερμότητας (Type 668) Το στοιχείο προσομοίωσης της αντλίας θερμότητας νερού-νερού αντιστρεπτού κύκλου (Type 668) αποτελεί τμήμα της βιβλιοθήκης θέρμανσης-ψύξηςκλιματισμού της κοινότητας T.E.S.S. Έχει τη δυνατότητα να προσομοιώσει τη θερμική συμπεριφορά της συσκευής σε συνθήκες ψύξης και θέρμανσης [18]. Για την προσομοίωση της λειτουργίας της αντλίας θερμότητας απαιτείται η εισαγωγή ενός αρχείου αποδόσεων με βάση τα τεχνικά δεδομένα του κατασκευαστή που πρέπει όμως να έχει συγκεκριμένη μορφή. Αυτή είναι όπως παρακάτω: - Μια σειρά με θερμοκρασίες εισόδου στον εξατμιστήρα - Μια σειρά με θερμοκρασίες εισόδου στο συμπυκνωτή - Μια στήλη με θερμικές αποδόσεις - Μια στήλη με καταναλώσεις ηλεκτρικής ισχύος Η μορφή του αρχείου και ο τρόπος που διαβάζεται από τον αλγόριθμο απεικονίζεται στους πίνακες 6.3 και 6.4 για τρεις θερμοκρασίες εισόδου στο συμπυκνωτή και δύο θερμοκρασίες εισόδου στον εξατμιστήρα. Το αρχείο διαβάζεται από το TRNSYS ως εξής: - Για κάθε ζεύγος θερμοκρασιών εισόδου στους δύο εναλλάκτες θερμότητας υπολογίζεται το αντίστοιχο ζεύγος της θερμικής απόδοσης και της κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος. - Σε περίπτωση που οι θερμοκρασίες εισόδου διαφέρουν από τις προκαθορισμένες στο αρχείο, πραγματοποιείται γραμμική παρεμβολή. - Γραμμική παρεμβολή μπορεί να γίνει στις ενδιάμεσες τιμές του αρχείου. Εάν τα όρια ξεπεραστούν, ως αποτέλεσμα λαμβάνεται αυτό που προσδιορίζεται από τις οριακές τιμές που παραβιάζονται. ΕΚΣΔ -118-

129 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.3 Μορφή αρχείου εισόδου στο στοιχείο της αντλίας ,5 64,6 15,4 78,4 15,9 48,7 18,1 61,9 18,8 75,3 19,3 47,2 20,5 60, ,3 21,6 Θερμοκρασίες εισόδου ( ο C) Πίνακας 6.4 Υπολογισμός θερμικής απόδοσης και κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος με βάση τα δεδομένα του αρχείου. Θερμική απόδοση (kw) Κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος (kw) 25/0 ο C 51 14,5 25/10 ο C 64,6 15,4 25/20 ο C 78,4 15,9 40/0 ο C 48,7 18,1 40/10 ο C 61,9 18,8 40/20 ο C 75,3 19,3 50/0 ο C 47,2 20,5 50/10 ο C 60, /20 ο C 73,3 21,6 Οι παράμετροι, οι μεταβλητές εισόδου και οι μεταβλητές εξόδου του στοιχείου είναι οι ακόλουθες: α) Παράμετροι 1. Ειδική θερμότητα ρευστού πρωτεύοντος κυκλώματος 2. Ειδική θερμότητα ρευστού δευτερεύοντος κυκλώματος 3. Πλήθος θερμοκρασιών εισόδου στον εξατμιστήρα που περιέχονται στο αρχείο 4. Πλήθος θερμοκρασιών εισόδου στο συμπυκνωτή που περιέχονται στο αρχείο 5. Πλήθος αντλιών θερμότητας. Δίνεται εδώ η δυνατότητα λειτουργίας περισσότερων συσκευών, με τα ίδια τεχνικά χαρακτηριστικά, συνδεδεμένων παράλληλα. β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του εξατμιστήρα 2. Παροχή ρευστού στην είσοδο του εξατμιστήρα 3. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του συμπυκνωτή 4. Παροχή ρευστού στην είσοδο του συμπυκνωτή 5. Σήμα ελέγχου για λειτουργία σε ψύξη 6. Σήμα ελέγχου για λειτουργία σε θέρμανση γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο από τον εξατμιστήρα ΕΚΣΔ -119-

130 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 2. Παροχή ρευστού στην έξοδο από τον εξατμιστήρα 3. Θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο από το συμπυκνωτή 4. Παροχή ρευστού στην έξοδο από το συμπυκνωτή 5. Θερμική ισχύς που προσδίδεται στο κτίριο 6. Θερμική ισχύς που απορροφάται από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας («πηγή») 7. Απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς 8. Βαθμός συμπεριφοράς (C.O.P.) Το τεχνικό φυλλάδιο που χρησιμοποιήθηκε για το στοιχείο προσομοίωσης της αντλίας θερμότητας δίνεται στο παράρτημα Ζ. Στην εικόνα 6.9 φαίνονται ο βαθμός συμπεριφοράς (C.O.P.) και η θερμική απόδοση της αντλίας θερμότητας για θερμοκρασία εισόδου στο συμπυκνωτή ίση με 42 ο C. Εικόνα 6.9 Θερμική απόδοση ισχύος και βαθμός συμπεριφοράς (C.O.P.) γεωθερμικής αντλίας θερμότητας για θερμοκρασία εισόδου στο συμπυκνωτή 42 ο C. Η αντλία θερμότητας είναι διαθέσιμη προς λειτουργία (stand by) σύμφωνα με το ωράριο λειτουργίας που προτείνεται στην παράγραφο 5.5 (εικόνα 5.13) με στόχο τη διατήρηση της θερμοκρασίας στο δοχείο αδρανείας στους 47 ο C. Η λειτουργία της αντλίας θερμότητας ξεκινά εάν η θερμοκρασία στο δοχείο γίνει χαμηλότερη από 46 ο C και διακόπτεται εάν η ίδια θερμοκρασία υπερβεί τους 48 ο C Το στοιχείο προσομοίωσης των ηλιακών συλλεκτών (Type 1) Το στοιχείο προσομοίωσης των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών (Type 1) αποτελεί τμήμα της βιβλιοθήκης των ηλιακών συλλεκτών. Προσομοιώνει τη θερμική συμπεριφορά πεδίων ηλιακών συλλεκτών που είναι συνδεδεμένοι παράλληλα ή σε σειρά μεταξύ τους [18]. ΕΚΣΔ -120-

131 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Το Type 1 αποτελείται από πέντε παραλλαγές (a,b,c,d,e) ανάλογα με τη μορφή που έχουν τα διαθέσιμα τεχνικά χαρακτηριστικά των συλλεκτών. Ο χρήστης επιλέγει το αντίστοιχο type. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε το Type 1c. Στο Type αυτό για την απόδοση του κάθε ηλιακού συλλέκτη θεωρείται ότι ισχύει η σχέση: η a 0 a 1 t in t G α a 2 t in t G α 2 όπου: - tin : η θερμοκρασία εισόδου του ρευστού στο συλλέκτη - tα : η θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος - G : η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του συλλέκτη - a 0, a 1, a 2 : συντελεστές Είναι η σχέση που χρησιμοποιείται περισσότερο για τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών και αυτή που ακολουθείται στις διαδικασίες πιστοποίησης (δίνονται από τους κατασκευαστές οι συντελεστές α0, α1 και α2). Το στοιχείο προσομοίωσης του πεδίου ηλιακών συλλεκτών θεωρεί ως μέγιστο το βαθμό απόδοσης που δίνεται από την παραπάνω σχέση. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν προσπίπτει κάθετα στην επιφάνειά του ή η παροχή του ρευστού κατά τη λειτουργία δεν είναι ίδια με την παροχή του ρευστού κατά τις διαδικασίες πιστοποίησης, ο βαθμός απόδοσης διορθώνεται προς τα κάτω σύμφωνα με συντελεστές διόρθωσης. Ο βαθμός απόδοσης κατά την προσομοίωση επιδέχεται δύο διορθώσεις. Αυτές σχετίζονται με: - τη γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην κεκλιμένη επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη (incidence angle modifier) - την παροχή του ρευστού στο συλλέκτη (flow rate correction) Για την πρώτη διόρθωση (incidence angle modifier) πρέπει να δοθεί αρχείο με μετρημένες τιμές του για διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη. Το αρχείο αποτελείται από τα ακόλουθα δεδομένα: - Μια σειρά με γωνίες πρόσπτωσης της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη - Μια στήλη με τιμές του συντελεστή γωνίας πρόσπτωσης Στους πίνακες 6.5 και 6.6 φαίνεται η μορφή του αρχείου και ο τρόπος που αυτό διαβάζεται από τον αλγόριθμο του στοιχείου. ΕΚΣΔ -121-

132 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.5 Μορφή αρχείου εισόδου στο στοιχείο του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. Πίνακας 6.6 Υπολογισμός του συντελεστή γωνίας πρόσπτωσης με βάση τα δεδομένα του αρχείου Γωνία πρόσπτωσης κάθετης Συντελεστής γωνίας ηλιακής ακτινοβολίας ( ο ) πρόσπτωσης 1,00 0 1,00 0, ,93 Το αρχείο διαβάζεται σύμφωνα με την παρακάτω διαδικασία: - Κάθε τιμή του συντελεστή γωνίας πρόσπτωσης αντιστοιχεί σε μια γωνία πρόσπτωσης στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη, όπως αυτή έχει υπολογιστεί από το στοιχείο παραγωγής κλιματικών δεδομένων. - Σε περίπτωση που η γωνία πρόσπτωσης διαφέρει από τις προκαθορισμένες στο αρχείο, πραγματοποιείται γραμμική παρεμβολή. Η διόρθωση του βαθμού απόδοσης του ηλιακού συλλέκτη λόγω της ύπαρξης διαφορετικής παροχής υγρού σε αυτόν από αυτήν των δεδομένων (η απόδοση ενός συλλέκτη κατά τις μετρήσεις πιστοποίησης γίνεται με συγκεκριμένη παροχή υγρού) γίνεται με βάση την παρακάτω σχέση: r 1 F F R R ( ) ( ) n n use test όπου: - FR: συνολικός συντελεστής απωλειών ηλιακού συλλέκτη - (τα) n: γινόμενο διαπερατότητας-απορρόφησης Ισχύει: α 0 test = F R(τα) n test. Εκτός από το αρχείο που εισάγεται για την προσομοίωση του ηλιακού συλλέκτη, στο στοιχείο προσομοίωσης δίνονται οι εξής παράμετροι, μεταβλητές εισόδου και μεταβλητές εξόδου: α) Παράμετροι 1. Πλήθος ηλιακών συλλεκτών συνδεδεμένων σε σειρά 2. Συνολική επιφάνεια πεδίου 3. Ειδική θερμότητα ρευστού 4. Παροχή ρευστού κατά τη διαδικασία πιστοποίησης 5. Συντελεστές a 0, a 1 και a 2 της εξίσωσης του βαθμού απόδοσης ΕΚΣΔ -122-

133 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 6. Πλήθος συντελεστών γωνίας πρόσπτωσης που περιέχονται στο αρχείο β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών 2. Παροχή ρευστού στην είσοδο του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών 3. Θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος 4. Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην κεκλιμένη επιφάνεια του πεδίου 5. Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο 6. Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο 7. Συντελεστής ανάκλασης εδάφους 8. Γωνία πρόσπτωσης ηλιακής ακτινοβολίας στο κεκλιμένο επίπεδο 9. Κλίση ηλιακών συλλεκτών γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών 2. Παροχή ρευστού στην έξοδο από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών 3. Παραγόμενη θερμότητα από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για τα στοιχεία προσομοίωσης των ηλιακών συλλεκτών είναι από εργαστηριακές μετρήσεις ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη με ένα κάλυμμα, χωρίς επιλεκτική βαφή, ελληνικής κατασκευής (βλ. παράρτημα Η). Τα γεωμετρικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά κατά την προσομοίωση ήταν όπως στον πίνακα 6.7. Πίνακας 6.7 Χαρακτηριστικά πεδίων ηλιακών συλλεκτών. Πεδίο Νοτιοανατολικό Νοτιοδυτικό Κλίση συλλεκτών ( ο ) Γωνία αζιμούθιο ( ο ) Συνολική επιφάνεια (m 2 ) Διάταξη 12 συλλέκτες συνδεδεμένοι παράλληλα ανά πεδίο Το ρευστό πλήρωσης του δικτύου των ηλιακών συλλεκτών είναι 15% κατ όγκο διάλυμα προπυλενογλυκόλης νερού. Ο βαθμός απόδοσης των συλλεκτών προσδιορίζεται από τη σχέση: t η 0, 62 4, 88 in t G α t 0, 046 in t G α 2 ΕΚΣΔ -123-

134 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Tο διάγραμμα του βαθμού απόδοσης φαίνεται στην εικόνα Ο συντελεστής γωνίας πρόσπτωσης (incidence angle modifier) υπολογίζεται από τον πίνακα 6.8. Εικόνα 6.10 Διάγραμμα βαθμού απόδοσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. Πίνακας 6.8 Συντελεστής γωνίας πρόσπτωσης. Γωνία πρόσπτωσης 0 ο 30 ο 45 ο 50 ο 60 ο Κθ 1,00 1,00 0,93 0,90 0, Θερμικές απαιτήσεις κτιρίου (θερμικά φορτία) Η σύνδεση του κτιρίου με το σύστημα πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια δύο στοιχείων του TRNSYS. Με το πρώτο στοιχείο (Type 9) γίνεται ανάγνωση των δεδομένων φορτίων που δημιουργήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου (TRNBuild) και μεταφορά των δεδομένων στο δεύτερο στοιχείο (Type 682) που είναι συνδεδεμένο με το στοιχείο προσομοίωσης του δικτύου διανομής του συστήματος θέρμανσης Ανάγνωση δεδομένων από εξωτερικό αρχείο (Type 9) Το Type 9 είναι εγκατεστημένο στη βιβλιοθήκη «Utility». Η λειτουργία του είναι η ανάγνωση δεδομένων από ένα εξωτερικό αρχείο. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται ως μεταβλητές εισόδου σε άλλα στοιχεία προσομοίωσης [18]. Το αρχείο αποτελείται από στήλες δεδομένων. Τα δεδομένα είναι καταγεγραμμένα ανά συγκεκριμένο χρονικό βήμα. Το Type 9 έχει τις εξής δυνατότητες: - Να μετατρέπει το χρονικό βήμα των δεδομένων με τη βοήθεια αλγορίθμου. - Να δημιουργεί τις νέες τιμές με γραμμική παρεμβολή. - Να μεταβάλλει τα δεδομένα πολλαπλασιάζοντας ή/και προσθέτοντας την κάθε στήλη με έναν πραγματικό αριθμό (γραμμική παρεμβολή). - Να αγνοεί κάποιες σειρές δεδομένων (π.χ. εάν η πρώτη σειρά αποτελείται από τους τίτλους των στηλών, δίνεται η δυνατότητα η σειρά αυτή να μη ληφθεί υπόψη). ΕΚΣΔ -124-

135 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης - Να λαμβάνει υπόψη του τον τρόπο υπολογισμού των δεδομένων. Δίνεται από το χρήστη η πληροφορία εάν η κάθε τιμή των δεδομένων είναι στιγμιαία (π.χ. στιγμιαία μέτρηση ανά ώρα) ή εάν είναι μέσος όρος των τιμών ενός χρονικού βήματος (π.χ. υπολογισμός σε πρόγραμμα προσομοίωσης με χρονικό βήμα μιας ώρας). Το στοιχείο ανάγνωσης δεδομένων δε δέχεται μεταβλητές εισόδου. Οι μεταβλητές εξόδου είναι τα αποτελέσματα που παράγονται από τη γραμμική παρεμβολή, τον πολλαπλασιασμό ή/και το άθροισμα όρων που επιδέχονται τα δεδομένα του αρχείου εισαγωγής Στοιχείο προσομοίωσης φορτίων (Type 682) Το στοιχείο προσομοίωσης φορτίων είναι εγκατεστημένο στη βιβλιοθήκη των φορτίων και κατασκευών των T.E.S.S. Χρησιμοποιείται όταν τα θερμικά ή τα ψυκτικά φορτία του κτιρίου είναι προϋπολογισμένα. Είναι δηλαδή το στοιχείο με το οποίο το σύστημα θέρμανσης συνδέεται με το κτίριο [18]. Στο Type 682 εισάγονται η παροχή και η θερμοκρασία προσαγωγής του ρευστού στο σύστημα διανομής. Η θερμοκρασία επιστροφής του νερού από το σύστημα διανομής υπολογίζεται από τη σχέση: Q mc p Οι παράμετροι, οι μεταβλητές εισόδου και οι μεταβλητές εξόδου του Type 682 είναι οι εξής: α) Παράμετροι 1. Ειδική θερμότητα ρευστού β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του κτιρίου (θερμοκρασία προσαγωγής) 2. Παροχή του ρευστού στην είσοδο του κτιρίου 3. Φορτίο κτιρίου (απαιτούμενη ισχύς-θετική για φορτία ψύξης, αρνητική για φορτία θέρμανσης) γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού από την έξοδο του κτιρίου (θερμοκρασία επιστροφής) 2. Παροχή ρευστού από την έξοδο του κτιρίου 3. Θερμική ισχύς που μεταφέρεται στο ρευστό (ψύξη) ή από το ρευστό (θέρμανση) 6.9. Άλλα στοιχεία προσομοίωσης Επεξεργαστής κλιματικών δεδομένων (Type 15-6) Αναλύεται στην παράγραφο 5.2. Τα κλιματικά δεδομένα παράχθηκαν με το λογισμικό METEONORM για την ακριβή τοποθεσία του σχολείου (κεφάλαιο 4). ΕΚΣΔ -125-

136 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ωριαίες τιμές, για ένα πλήρες έτος, της θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος, της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, της διεύθυνσης και της ταχύτητας του ανέμου και της υγρασίας του αέρα του περιβάλλοντος. Χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στα πεδία των συλλεκτών, όπως υπολογίστηκαν από το TRNSYS για κλίση 200 ο και αζιμούθιο 20 ο για το νοτιοδυτικό πεδίο και για κλίση 20 ο και αζιμούθιο 110 ο για το νοτιοανατολικό πεδίο Προσομοίωση θερμοκρασίας εδάφους (Type 501) Με αυτό το στοιχείο υπολογίζεται το κατακόρυφο της αδιατάρακτης θερμοκρασίας στο υπέδαφος [18]. Η σχέση που χρησιμοποιείται είναι η εξίσωση Kasuda: T g όπου: T mean T amp exp depth 365 0,5 2 cos t 365 now t shift 0,5 depth Tg : Ζητούμενη θερμοκρασία του εδάφους - Tmean : Μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος - Tamp : Εύρος θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος - depth : Βάθος υπολογισμού θερμοκρασίας - α : Συντελεστής θερμικής διαχυτότητα του εδάφους - t now : Ημέρα του έτους στην οποία γίνεται ο υπολογισμός - t shift : Ημέρα του έτους κατά την οποία εμφανίζεται η θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους. Το στοιχείο δέχεται στις παραμέτρους του όλα τα παραπάνω μεγέθη. Δεν δέχεται μεταβλητές εισόδου. Η μεταβλητή εξόδου είναι η θερμοκρασία του εδάφους στο ζητούμενο βάθος. Η θερμοκρασία του εδάφους απαιτήθηκε για τους υπολογισμούς των απωλειών των υπόγειων συλλεκτηρίων δικτύων. Τα δεδομένα για τους σχετικούς υπολογισμούς όπως δόθηκαν είναι: - Μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος : 14,05 ο C - Εύρος διακύμανσης της θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος : 10,23 ο C - Ημέρα με τη χαμηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος : 12 η ημέρα του έτους - Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εδάφους : 2 W/(m K) - Πυκνότητα εδάφους : 2600 kg/m 3 - Ειδική θερμότητα εδάφους : 0,808 kj/(kg K) - Βάθος θαμμένων σωληνώσεων : 1 m ΕΚΣΔ -126-

137 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Μονάδα λέβητα-καυστήρα (Type 700) Το στοιχείο προσομοίωσης της μονάδας λέβητα-καυστήρα καθορίζεται από τα παρακάτω [18]: α) Παράμετροι 1. Ονομαστική θερμική ισχύς 2. Ειδική θερμότητα ρευστού β) Μεταβλητές εισόδου 1. Βαθμός απόδοσης του λέβητα 2. Βαθμός απόδοσης της καύσης 3. Θερμοκρασία εισόδου του νερού 4. Παροχή του νερού στην είσοδο 5. Σημείο ρύθμισης (set-point temperature) γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία εξόδου του νερού 2. Παροχή εξόδου του νερού 3. Θερμική ισχύς που προσδίδεται στο νερό 4. Θερμικές απώλειες Το Type 700 προσομοιώνει τη θερμική συμπεριφορά του λέβητα-καυστήρα στις παρακάτω συνθήκες λειτουργίας: Έναρξη λειτουργίας καυστήρα: η λειτουργία του καυστήρα καθορίζεται από το σήμα ελέγχου του. Υπολογίζεται ο λόγος της απαιτούμενης ισχύος ώστε η θερμοκρασία του νερού να είναι ίση με αυτή του σημείου ρύθμισης ( λέβητα ( Q. Q need. max ). Διακρίνονται δύο περιπτώσεις: Q. need ) προς την ονομαστική ισχύ του i. 1. : Λειτουργία σε μερικό φορτίο. Προσδίδεται το απαιτούμενο φορτίο στο νερό Q max και η θερμοκρασία εξόδου από το λέβητα είναι ίση με το σημείο ρύθμισης.. Q need ii. 1. : Λειτουργία σε πλήρες φορτίο. Προσδίδεται το μέγιστο φορτίο στο νερό. Η Q max θερμοκρασία εξόδου του νερού από το λέβητα δίνεται από τη σχέση: ΕΚΣΔ -127-

138 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης T out T in. m. Q max c ύ p, ύ όπου: T - in. - m ύ : Θερμοκρασία εισόδου νερού στο λέβητα : Ροή μάζας νερού - c p ύ, : Ειδική θερμότητα νερού Διακοπή λειτουργίας καυστήρα: εάν υπάρχει κυκλοφορία νερού, δε λαμβάνεται υπόψη οποιαδήποτε εναλλαγή θερμότητας που μπορεί να συμβεί μέσα στο λέβητα. Δηλαδή, κατά την προσομοίωση, το στοιχείο παραλείπεται. Η ονομαστική θερμική ισχύς και οι βαθμοί απόδοσης των μονάδων των λεβήτων θεωρήθηκαν όπως στον Κ.Εν.Α.Κ. σύμφωνα με το Π.Δ. 335/1993 Φ.Ε.Κ. 143 [] για λέβητες χαμηλών θερμοκρασιών με καυστήρες πετρελαίου. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους θεωρήθηκαν όπως στον πίνακα 6.9. Πίνακας 6.9 Τεχνικά χαρακτηριστικά των λεβήτων. Μέγεθος 1 ο Σενάριο 2 ο,4 ο,5 ο,6 ο Σενάριο Θερμική ισχύς 300 kw 100 kw Βαθμός απόδοσης λέβητα 0,912 0,905 Βαθμός απόδοσης καύσης 1 1 Ο θερμοστάτης λειτουργίας του καυστήρα για ρύθμιση της θερμοκρασίας του νερού θεωρήθηκε ρυθμισμένος στους 57 o C. Η χωρητικότητα του λέβητα θεωρήθηκε ίση με 0,5 m 3 και προσομοιώθηκε με ένα δοχείο αδρανείας, όπως φαίνεται στο λειτουργικό διάγραμμα (εικόνα 6.2). Η μονάδα λέβητα-καυστήρα είναι διαθέσιμη προς λειτουργία (stand by) σύμφωνα με το ωράριο λειτουργίας που προτείνεται στην εικόνα 5.16 με στόχο τη διατήρηση της θερμοκρασίας στο δοχείο αδρανείας στους 55 ο C. Η λειτουργία του καυστήρα ξεκινά εάν η θερμοκρασία στο δοχείο γίνει χαμηλότερη από 54 ο C και διακόπτεται εάν η ίδια θερμοκρασία υπερβεί τους 56 ο C Εναλλάκτης θερμότητας (Type 91) Το Type 91 προσομοιώνει τη θερμική συμπεριφορά ενός εναλλάκτη θερμότητας με μηδενική χωρητικότητα και με σταθερή απόδοση. Η μετάδοση θερμότητας μεταξύ ΕΚΣΔ -128-

139 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης των ρευστών που εμπλέκονται στη διεργασία εξαρτάται από την ειδική θερμότητα και την παροχή του κάθε ρευστού [18]. Οι βασικές μεταβλητές που καθορίζουν τη λειτουργία του μοντέλου είναι οι εξής: α) Παράμετροι 1. Βαθμός απόδοσης 2. Ειδικές θερμότητες ρευστών στα δύο ρεύματα β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασίες ρευστών στις εισόδους των δύο ρευμάτων του εναλλάκτη 2. Παροχές ρευστών στις εισόδους των δύο ρευμάτων στον εναλλάκτη γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασίες στις εξόδους των δύο ρευμάτων του εναλλάκτη 2. Παροχές στις εξόδους των δύο ρευμάτων του εναλλάκτη 3. Θερμορροή από το ένα ρεύμα στο άλλο Τα δεδομένα που δόθηκαν στο στοιχείο προσομοίωσης του εναλλάκτη θερμότητας είναι η απόδοσή του και οι ειδικές θερμότητες των ρευστών. Θεωρήθηκε αποτελεσματικότητα ίση με 1. Το ρευστό και στα δύο κυκλώματα ήταν το 15% κατ όγκο διάλυμα προπυλενογλυκόλης Κυκλοφορητής σταθερών στροφών (Type 740) και μεταβλητών στροφών (Type 741) Τα δύο στοιχεία προσομοίωσης των κυκλοφορητών λειτουργούν με βάση ένα σήμα ελέγχου. Η παροχή ρευστού που αποδίδουν στο δίκτυο εξαρτάται από το σήμα ελέγχου και από την ονομαστική (μέγιστη) παροχή τους [18]. Το στοιχείο προσομοίωσης του κυκλοφορητή σταθερών στροφών (Type 740) λειτουργεί μόνο για συνθήκες ονομαστικής παροχής (λειτουργία «ON-OFF»), δηλαδή έχει μόνο ένα σημείο λειτουργίας το οποίο διακρίνεται από το μανομετρικό ύψος και την απαιτούμενη παροχή του δικτύου. Αντίθετα, το στοιχείο προσομοίωσης του κυκλοφορητή μεταβλητών στροφών (Type 741) καλύπτει ένα εύρος σημείων λειτουργίας. Το Type 741 μεταβάλλει την παροχή του ρευστού στο κύκλωμα το οποίο τροφοδοτεί. Η παροχή του κυκλώματος, έτσι, παίρνει τιμές από 0 (σε κατάσταση μη λειτουργίας) έως την ονομαστική παροχή του κυκλοφορητή, η οποία δίνεται ως παράμετρος από το χρήστη. ΕΚΣΔ -129-

140 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Και στα δύο στοιχεία προσομοίωσης δίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Βασικά μεγέθη υπολογισμού είναι η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία του κυκλοφορητή και η θερμότητα που αποδίδεται στο ρευστό και στο περιβάλλον από τον κινητήρα του κυκλοφορητή κατά τη λειτουργία του. Οι βασικές μεταβλητές από τις οποίες καθορίζεται η λειτουργία των στοιχείων είναι: α) Παράμετροι 1. Ονομαστική παροχή 2. Θερμοφυσικές ιδιότητες ρευστού 3. Συντελεστής θερμικών απωλειών β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του κυκλοφορητή 2. Παροχή ρευστού στην είσοδο του κυκλοφορητή 3. Σήμα ελέγχου 4. Βαθμός απόδοσης 5. Μανομετρικό ύψος γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο από τον κυκλοφορητή 2. Παροχή ρευστού στην έξοδο από τον κυκλοφορητή 3. Απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς 4. Θερμικά κέρδη του ρευστού κατά την έξοδό του από τον κυκλοφορητή 5. Απώλειες στο περιβάλλον Οι διαφοροποιήσεις στα κλειστά κυκλώματα και στους κυκλοφορητές που έγιναν για τις ανάγκες της προσομοίωσης είναι οι εξής (βλ. εικόνες 2.6 και 6.2): Τα τρία τμήματα του δικτύου διανομής μετατράπηκαν σε ένα, με έναν κυκλοφορητή μεταβλητών στροφών (Α.1 στο λειτουργικό διάγραμμα). Δεν υπάρχει κυκλοφορητής στον λέβητα. Στα κυκλώματα που συνδέονται με τις κατακόρυφες γεωτρήσεις θεωρήθηκε ένα κύκλωμα με τρεις κυκλοφορητές. Η πτώση πίεσης του κυκλώματος που καλείται ο καθένας να καλύψει παρουσιάζεται στην εικόνα Ο κυκλοφορητής Α.3 είναι σταθερών στροφών ενώ οι Α.4 και Α.5 είναι δύο ταχυτήτων, έτσι ώστε κατά τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας η παροχή του ρευστού να είναι όση έχει υπολογιστεί για το πρωτεύον κύκλωμα, ενώ κατά τη ΕΚΣΔ -130-

141 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης λειτουργία των ηλιακών συλλεκτών αυτή να μειώνεται και να είναι ίση με αυτή που έχει υπολογιστεί για τους βρόχους των ηλιακών συλλεκτών. Εικόνα 6.11 Πτώση πίεσης κυκλωμάτων κατακόρυφων γεωτρήσεων. Όλοι οι κυκλοφορητές είναι εφοδιασμένοι με κινητήρες τελευταίας τεχνολογίας, με ηλεκτρονικό έλεγχο της ταχύτητας με βάση μόνιμου μαγνήτη [29]. Στον πίνακα 6.10 αναλύονται δεδομένα για όλους τους κυκλοφορητές του συστήματος. Οι ονομασίες γίνονται σύμφωνα με την εικόνα 6.2. Πίνακας 6.10 Χαρακτηριστικά κυκλοφορητών. Ονομασία Είδος Παροχή Μανομετρικό Απορροφούμενη (l/s) (kpa) ισχύς (W) Α.1 Μεταβλητών στροφών 3,856 63, Α.2 2,65 34, Σταθερών στροφών Α.3 2,22 14,7 60 Α.4 2,22 68, Δύο ταχυτήτων Α.5 2,22 29, Α.6 0,48 11,17 15 Σταθερών στροφών Α.7 0,48 11,17 15 Κυκλοφορητής δικτύου διανομής Ο κυκλοφορητής του δικτύου διανομής λειτουργεί όταν υπάρχει απαίτηση θερμικού φορτίου. Η παροχή του δικτύου είναι μεταβαλλόμενη ώστε η διαφορά θερμοκρασίας εισόδου-εξόδου στο στοιχείο προσομοίωσης των φορτίων να είναι 5 ο C. Η ροή από το δίκτυο διανομής κατευθύνεται προς το λέβητα, την αντλία θερμότητας ή ανακυκλοφορεί στο δίκτυο διανομής. Η κατεύθυνση της ροής καθορίζεται από τρεις δίοδες βαλβίδες στην έξοδο από το στοιχείο προσομοίωσης των φορτίων. Κυκλοφορητές αντλίας θερμότητας Είναι οι κυκλοφορητές Α.2 και Α.3 της εικόνας 6.2 και τίθενται σε λειτουργία όταν λειτουργεί η αντλία θερμότητας. ΕΚΣΔ -131-

142 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Κυκλοφορητές κυκλώματος κατακόρυφων γεωτρήσεων Ο κυκλοφορητής Α.5 τίθεται σε λειτουργία όταν λειτουργούν οι κυκλοφορητές των ηλιακών συλλεκτών και εφόσον η θερμοκρασία εισόδου στον «εξωτερικό» εναλλάκτη θερμότητας από το δίκτυο των ηλιακών συλλεκτών είναι μεγαλύτερη τουλάχιστον κατά 2 ο C από τη θερμοκρασία εισόδου στον εναλλάκτη θερμότητας από το δίκτυο του γεωεναλλάκτη. Ο κυκλοφορητής Α.4 λειτουργεί όταν λειτουργεί τουλάχιστον ένας από τους Α.3, Α.5. Κυκλοφορητές κυκλωμάτων ηλιακών συλλεκτών Καθένας από αυτούς λειτουργεί όταν ισχύουν οι δύο παρακάτω έλεγχοι: - Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο επίπεδο του αντίστοιχου πεδίου ηλιακών συλλεκτών είναι τουλάχιστον ίση με 80 W/m 2. - Η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στην έξοδο από έναν συλλέκτη και στην έξοδο από το πεδίο των κατακόρυφων γεωτρήσεων είναι τουλάχιστον ίση με 7 ο C και όχι μικρότερη από 2 ο C Βαλβίδα ανάμειξης ροών (Type 649) Το Type 649 προσομοιώνει η αδιαβατική ανάμειξη δύο ή περισσότερων ροών. Η ροή εξόδου του ρευστού από τη βαλβίδα ισούται με το άθροισμα των ροών εισόδου [18]. Η θερμοκρασία εξόδου του ρευστού από τη βαλβίδα υπολογίζεται από τη σχέση: όπου: -. i i i out. T. m T m : Η παροχή μάζας κάθε ρευστού στην είσοδο της βαλβίδας. - T i : Η θερμοκρασία εισόδου κάθε ρευστού στην είσοδο της βαλβίδας Βαλβίδα διακλάδωσης ροής (Type 647) m Το Type 647 προσομοιώνει η αδιαβατική διακλάδωση μιας ροής σε δύο ή περισσότερες. Οι θερμοκρασίες εξόδου είναι ίσες με τη θερμοκρασία εισόδου [18]. Η παροχή του ρευστού σε κάθε διακλάδωση καθορίζεται από τη σχέση: όπου: i m - ṁ in : Η παροχή μάζας του ρευστού στην είσοδο της βαλβίδας.. m. in - f i : Το κλάσμα που προσδιορίζει την παροχή ρευστού στην κάθε διακλάδωση. i Ισχύει: f 1. f i i ΕΚΣΔ -132-

143 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Σωλήνωση (Type 709) και υπόγεια σωλήνωση (Type 31b) b Στα στοιχεία προσομοίωσης Type 31 και Type 709 οι ροές κατά μήκος αγωγών διακριτοποιούνται σε τμήματα. Κάθε τμήμα του ρευστού έχει διαφορετική μάζα και διαφορετική θερμοκρασία. Η μέθοδος υπολογισμού φαίνεται στην εικόνα 6.12 [18]. Εικόνα 6.12 Διαχωρισμός του σωλήνα κατά μήκος σε τμήματα. Το πρώτο τμήμα έχει μάζα ρευστού m 1 και θερμοκρασία T 1. Στα υπόλοιπα τμήματα αντιστοιχίζονται με τον ίδιο τρόπο μάζες και θερμοκρασίες. Έτσι, κάθε φορά που μάζα ρευστού m in εισέρχεται στο σωλήνα, με θερμοκρασία T in, πρέπει να εξέλθει μάζα mout min από αυτόν. Η θερμοκρασία εξόδου προέρχεται από το σταθμισμένο μέσο όρο των τμημάτων μάζας του ρευστού που εξέρχονται. Στο Type 709 οι θερμικές απώλειες καθορίζονται από τον υπολογισμό των θερμικών αντιστάσεων που προκύπτουν κατά την κυκλοφορία του ρευστού μέσα στο σωλήνα. Η μεταφορά θερμότητας από το εσωτερικό του σωλήνα προς το περιβάλλον γίνεται μέσω εξαναγκασμένης συναγωγής, ανάμεσα στο ρευστό και την εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα, μέσω θερμικής αγωγής ανάμεσα στην εσωτερική και την εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα, μέσω θερμικής αγωγής ανάμεσα στην εσωτερική και την εξωτερική επιφάνεια της μόνωσης και μέσω ελεύθερης συναγωγής ανάμεσα στην εξωτερική επιφάνεια της μόνωσης και του αέρα του περιβάλλοντος. Αντίθετα, στο Type 31b απαιτείται ο υπολογισμός του συνολικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας να γίνει από το χρήστη και να εισαχθεί ως παράμετρος. ΕΚΣΔ -133-

144 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Η πτώση πίεσης μέσα στο σωλήνα δεν υπολογίζεται σε κανένα από τα δύο στοιχεία προσομοίωσης. Οι μεταβλητές που καθορίζουν τη λειτουργία του Type 709 είναι: α) Παράμετροι 1. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά σωλήνα (εσωτερική και εξωτερική διάμετρος, μήκος) 2. Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού σωλήνα 3. Θερμοφυσικές ιδιότητες ρευστού (πυκνότητα, ειδική θερμότητα) 4. Πάχος μόνωσης 5. Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού μόνωσης β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του σωλήνα 2. Παροχή ρευστού στην είσοδο του σωλήνα 3. Θερμοκρασία στην εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα 4. Συντελεστής ελεύθερης συναγωγής στην εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο από το σωλήνα 2. Παροχή ρευστού στην έξοδο από το σωλήνα 3. Θερμικές απώλειες Στο Type 31b παραλείπονται οι θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών της σωλήνωσης και της μόνωσης (παράμετροι) και ο συντελεστής ελεύθερης συναγωγής (μεταβλητή εισόδου) και εισάγεται ο συνολικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας (παράμετρος), ο οποίος πρέπει να έχει υπολογιστεί από το χρήστη. Δίκτυα τροφοδοσίας πεδίων ηλιακών συλλεκτών Υπολογίστηκαν οι απώλειες μόνο των κεντρικών σωληνώσεων, που εκτείνονται από το λεβητοστάσιο έως τη στέγη του σχολείου. Οι θερμικές απώλειες από τις επιμέρους σωληνώσεις που συνδέουν τους συλλέκτες με τα κεντρικά δίκτυα θεωρήθηκαν αμελητέες. Το μήκος του κάθε σωλήνα μετρήθηκε από τις όψεις και τις τομές του κτιρίου (βλ. παράρτημα Θ), με τον εξής περιορισμό που προκύπτει από το πρόγραμμα προσομοίωσης: Η χωρητικότητα του σωλήνα πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με την παροχή μάζας του ρευστού μέσα στο σωλήνα κατά τη διάρκεια ενός χρονικού βήματος. ΕΚΣΔ -134-

145 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Υπόγεια δίκτυα τροφοδοσίας κατακόρυφων γεωτρήσεων Θεωρήθηκαν μόνο οι κεντρικοί κλάδοι των υπόγειων δικτύων συλλογής και διανομής από/προς τις κατακόρυφες γεωτρήσεις. Οι θερμικές απώλειες από τα τμήματα που συνδέουν τις γεωτρήσεις μεταξύ τους κρίθηκαν αμελητέες. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και οι θερμοφυσικές ιδιότητες των σωλήνων και της μόνωσής τους θεωρήθηκαν όπως στον πίνακα 6.11 (βλ. παράρτημα Ι). Πίνακας 6.11 Χαρακτηριστικά δικτύων σωληνώσεων. Δίκτυο Τροφοδοσία ηλιακών Τροφοδοσία γεωτρήσεων συλλεκτών Διατομή σωλήνα 35x1,5 mm 90x8,2 mm Μήκος σωλήνα 40 m 40 m Υλικό σωλήνα Σκληρός χαλκοσωλήνας Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (PE-HD) Υλικό μόνωσης Συνθετικό καουτσούκ Αφρώδες πολυαιθυλένιο Πάχος μόνωσης 13 mm 13 mm Ρευστό 15% κατ όγκο διάλυμα προπυλενογλυκόλης Δοχείο αδρανείας (Type 60) Με το Type 60 προσομοιώνεται η θερμική συμπεριφορά ενός κατακόρυφου δοχείου αδρανείας. Θεωρείται ότι ο όγκος του ρευστού που περιέχεται στο δοχείο είναι διαχωρισμένος σε στρώματα με διαφορετική θερμοκρασία το καθένα [18]. Οι μεταβλητές του στοιχείου είναι: α) Παράμετροι 1. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά δοχείου (διάμετρος, ύψος, όγκος) 2. Μέσος συντελεστής μετάδοσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας του δοχείου 3. Ειδική θερμότητα ρευστού 4. Πιθανή εγκατάσταση εναλλακτών θερμότητας και ηλεκτρικών θερμαντήρων (εικόνα 6.13) 5. Ύψος όπου είναι εγκατεστημένες οι είσοδοι και οι έξοδοι του ρευστού β) Μεταβλητές εισόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού στις εισόδους του δοχείου 2. Παροχή ρευστού στις εισόδους του δοχείου γ) Μεταβλητές εξόδου 1. Θερμοκρασία ρευστού από τις εξόδους του δοχείο αδρανείας ΕΚΣΔ -135-

146 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης 2. Παροχή ρευστού από τις εξόδους του δοχείο αδρανείας Εικόνα 6.13 Πιθανή εγκατάσταση εναλλάκτη θερμότητας και ηλεκτρικού θερμαντήρα Διαφορικός ελεγκτής θερμοκρασίας (Type 2) Το Type 2 προσομοιώνει τη λειτουργία ενός διαφορικού ελεγκτή και χρησιμοποιείται για να ελέγχει την έναρξη ή την παύση της λειτουργίας μίας ή περισσότερων συσκευών (π.χ. ενός λέβητα και του αντίστοιχου κυκλοφορητή, με σκοπό τη συγκράτηση της θερμοκρασίας ενός δοχείου αδρανείας σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο). Ελέγχει τη θερμοκρασιακή διαφορά Th Tl σε σχέση με το ανώτατο όριο T και με το κατώτατο όριο T L και παράγει ένα σήμα ελέγχου που έχει τιμές 1 και 0 (έναρξη λειτουργίας και διακοπή λειτουργίας αντίστοιχα). Η τιμή του σήματος ελέγχου κατά το προηγούμενο χρονικό βήμα ορίζεται ως i. Η διαδικασία, σύμφωνα με την οποία παράγεται το σήμα ελέγχου, είναι η ακόλουθη: - Εάν i 1 και TL Th Tl, τότε 1 - Εάν i 1 και TL Th Tl, τότε 0 - Εάν i 0 και TH Th Tl, τότε 1 - Εάν i 0 και TH Th Tl, τότε 0 Επιπλέον, καθορίζεται μια οριακή θερμοκρασία Tmax όπου ελέγχεται μια θερμοκρασία T in. Σε περίπτωση που η θερμοκρασία ελέγχου ξεπεράσει την οριακή, ανεξάρτητα του σήματος ελέγχου που έχει ορισθεί από την παραπάνω διαδικασία, τίθεται 0 [18] Συμπληρωματικά στοιχεία προσομοίωσης Χρησιμοποιούνται επίσης: Το Type 24 (ολοκληρωτής), το Type 25 (εκτυπωτής), το Type 65 (σχεδιαστής άμεσων διαγραμμάτων) και η εξίσωση (Equation) (βλ. παράγραφο 5.2). ΕΚΣΔ -136-

147 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Αποτελέσματα Παρακάτω δίνονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τα διαφορετικά σενάρια Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου χωρίς πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Το σενάριο αυτό δεν υποθέτει πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης του κτιρίου. Ο λέβητας λοιπόν που θεωρείται ότι είναι εγκατεστημένος έχει την απαραίτητη ισχύ για την κάλυψη του θερμικού φορτίου λειτουργίας και αναθέρμανσης του σχολείου. Αυτή η ισχύς βρέθηκε από την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου ίση με 297 kw και αντιστοιχεί στην πρώτη ώρα λειτουργίας του σχολείου μετά τις διακοπές των Χριστουγέννων (8 η Ιανουαρίου, 8 30 h). Για τη θέρμανση του σχολείου λοιπόν, σύμφωνα με το σενάριο αυτό, θεωρήθηκε συνήθης λέβητας με καυστήρα πετρελαίου ισχύος 300 kw με βαθμό απόδοσης 0,89 (κατά Κ.Εν.Α.Κ., σύμφωνα με το Π.Δ. 335/1993 Φ.Ε.Κ. 143). Η διάταξη του συστήματος όπως προσομοιώθηκε φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 6.14 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος θέρμανσης με λέβητα. Η θερμοκρασία προσαγωγής στη διανομή (set του λέβητα) θεωρήθηκε ίση με 55 ο C. Θεωρήθηκαν οι χωρητικότητες σε νερό για το λέβητα V1=0,8 m 3 και του δικτύου διανομής V2+V3=1,5 m 3. Η παροχή του κυκλοφορητή είναι μεταβαλλόμενη ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για διαφορά θερμοκρασίας 5 ο C (προσαγωγή 55 ο C - επιστροφή 50 ο C). Δεν υπάρχουν ώρες στις οποίες δεν καλύπτονται οι απαιτήσεις αφού η ισχύς του λέβητα και του δικτύου διανομής είναι εξαιρετικά μεγάλη. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται στον πίνακα ΕΚΣΔ -137-

148 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.12 Συγκεντρωτικά μεγέθη προσομοίωσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (kwh) ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) (kwh) ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΚΛΥΟΜΕΝΟΙ ΡΥΠΟΙ (kgco2) Σύστημα μόνον με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Στο σενάριο αυτό θεωρήθηκε πάλι σύστημα με λέβητα και καυστήρα πετρελαίου που λειτουργεί όμως με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης του κτιρίου ώστε να είναι περιορισμένη η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος. Θεωρήθηκε λοιπόν λέβητας με ισχύ 100 kw, βαθμό απόδοσης κατά Κ.Εν.Α.Κ. ίσο με 0,902 και πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης όπως στον πίνακα Η θερμοκρασία προσαγωγής στη διανομή (set του λέβητα) θεωρήθηκε ίση με 55 ο C. Θεωρήθηκαν οι χωρητικότητες σε νερό για το λέβητα V1=0,5 m 3 και του δικτύου διανομής V2+V3=1,5 m 3. Η παροχή του κυκλοφορητή είναι μεταβαλλόμενη ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για διαφορά θερμοκρασίας 5 ο C (προσαγωγή 55 ο C - επιστροφή 50 ο C). Πίνακας 6.13 Πρόγραμμα λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης με λέβητα 100 kw. Μήνας Ημέρα Δευτέρα Τρίτη-Παρασκευή Νοέμβριος, Δεκέμβριος, Μάρτιος, Απρίλιος 07:00-14:00 Ιανουάριος, Φεβρουάριος 05:00-14:00 07:00-14:00 Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φάνηκε ότι, μετά από παρατεταμένη παύση λειτουργίας του συστήματος (διακοπές Χριστουγέννων), το σύστημα δεν ήταν σε θέση να ικανοποιήσει τα θερμικά φορτία χώρου και αναθέρμανσης τις πρώτες ώρες λειτουργίας (εμφανίστηκαν στις προσομοιώσεις θερμοκρασίες χώρων μικρότερες των 20 ο C). Οι ώρες αυτές συνολικά είναι οκτώ και εμφανίζονται στον πίνακα Πίνακας 6.14 Ημερομηνίες και ώρες με ανικανοποίητες θερμικές απαιτήσεις. Ημερομηνία Δευτέρα, 8 Ιανουαρίου Τρίτη, 9 Ιανουαρίου Δευτέρα, 15 Ιανουαρίου Ώρα 9 η, 10 η, 11 η,12 η 9 η, 10 η 9 η ΕΚΣΔ -138-

149 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Τα ενεργειακά μεγέθη σε χρονικό ορίζοντα ενός έτους και είκοσι ετών παρουσιάζονται στον πίνακα Πίνακας 6.15 Συγκεντρωτικά μεγέθη προσομοίωσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (kwh) ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) (kwh) ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΚΛΥΟΜΕΝΟΙ ΡΥΠΟΙ (kgco2) Σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Σε αυτό το σενάριο το σύστημα θέρμανσης του κτιρίου είναι ένα συμβατικό σύστημα αβαθούς γεωθερμίας κλειστού βρόχου με κατακόρυφες γεωτρήσεις. Χαρακτηριστικό του είναι η απολαβή θερμότητας από το υπέδαφος κατά τη διάρκεια της περιόδου θέρμανσης, χωρίς να περιλαμβάνεται πρόσδοση θερμότητας στο υπέδαφος σε οποιαδήποτε φάση. Το λειτουργικό διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 6.14 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος θέρμανσης με γεωθερμική αντλία θερμότητας. Σε αυτό το σενάριο θεωρείται προγραμματισμός πρωινής αναθέρμανσης όπως ακριβώς στο σενάριο 2. Με τον τρόπο αυτό θα διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος και επομένως το μέγεθος του γεωεναλλάκτη, που είναι το υποσύστημα με το μεγαλύτερο κόστος. ΕΚΣΔ -139-

150 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Η διαστασιολόγηση της αντλίας θερμότητας και του γεωεναλλάκτη έγινε ώστε η χαμηλότερη θερμοκρασία εισόδου του ρευστού στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας να είναι ίση με 0 ο C, για θερμοκρασία εισόδου στο συμπυκνωτή ίση με 42 ο C, με απόδοση σε αυτές τις συνθήκες (ισχύς στο συμπυκνωτή) 100 kw. Το μήκος του γεωεναλλάκτη υπολογίστηκε σύμφωνα με τη σχέση του Kavanaugh [6]: q L a R ga ( q lh W ) ( R t g h t wi b PLF t 2 wo m t p R gm R gd F sc ) Στον πίνακα 6.16 γίνεται επεξήγηση των μεγεθών της παραπάνω σχέσης και δίνονται οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό του απαιτούμενου μήκους του γεωεναλλάκτη για την περίπτωση του σχολείου της Μεγάλης Παναγίας. Πίνακας 6.16 Μεγέθη καθορισμού μήκους γεωεναλλάκτη. Μέγεθος Επεξήγηση Μονάδες Τιμή L απαιτούμενο συνολικό μήκος κατακόρυφων γεωτρήσεων m 1684 q a μέση ετήσια απορρόφηση θερμότητας από το έδαφος kw 26,9 q lh θερμικό φορτίο σχεδιασμού kw 100 W h R ga R gd R gm PLF m F sc καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς από το συμπιεστή της αντλίας θερμότητας στις συνθήκες σχεδιασμού ισοδύναμη θερμική αντίσταση εδάφους για το μακροπρόθεσμο (ετήσιο) παλμό ισοδύναμη θερμική αντίσταση εδάφους για το βραχυπρόθεσμο (ημερήσιο) παλμό ισοδύναμη θερμική αντίσταση εδάφους για το μεσοπρόθεσμο (μηνιαίο) παλμό παράγοντας μερικού φορτίου κατά το μήνα σχεδιασμού kw 38,5 mk/kw 183 mk/kw 140 mk/kw 243-0,13 παράγοντας απωλειών λόγω θερμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο σωλήνων του βρόχου - 1,015 t g θερμοκρασία του αδιατάρακτου εδάφους o C 14,05 t wi t wo t p θερμοκρασία ρευστού στην είσοδο του εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας (συνθήκες σχεδιασμού) θερμοκρασία ρευστού στην έξοδο του εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας (συνθήκες σχεδιασμού) διόρθωση εξαιτίας της θερμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ γειτονικών γεωτρήσεων o C 0 o C -5 o C 0 ΕΚΣΔ -140-

151 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Με τα δεδομένα αυτά και με μήκος γεωεναλλάκτη 1680 m προσομοιώθηκε η λειτουργία του συστήματος. Διαπιστώθηκε ότι ο γεωεναλλάκτης ήταν υπερδιαστασιολογημένος: ενώ το μήκος του υπολογίστηκε για χαμηλότερη θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας τους 0 ο C, κατά την προσομοίωση αυτή ήταν περίπου 3 ο C. Με τα παραπάνω δεδομένα και με τη βοήθεια προσομοιώσεων διαπιστώθηκε ότι το απαιτούμενο μήκος του γεωεναλλάκτη για τον 20 ο χρόνο ήταν 1350 m, δηλαδή κατά περίπου 19,6% μικρότερο από αυτό που προκύπτει από την απευθείας εφαρμογή της σχέσης του Kavanaugh. Το τελικό μήκος του γεωεναλλάκτη του συστήματος θεωρήθηκε, λοιπόν, ίσο με 1350 m. Τα δεδομένα των μονάδων κυκλοφορίας νερού που θεωρήθηκαν για τα δεδομένα του συστήματος του σεναρίου αυτού δίνονται στον πίνακα Πίνακας 6.17 Δεδομένα κυκλοφορητών. Παροχή κυκλοφορητή πρωτεύοντος κυκλώματος αντλίας θερμότητας 3 kg/s Παροχή κυκλοφορητή δευτερεύοντος κυκλώματος αντλίας θερμότητας 4,77 kg/s Μανομετρικό ύψος κυκλοφορητή πρωτεύοντος κυκλώματος 197 kpa Μανομετρικό ύψος κυκλοφορητή δευτερεύοντος κυκλώματος 44 kpa Οι σωληνώσεις του υπόγειου οριζόντιου δικτύου θεωρήθηκαν αμόνωτες. Οι θερμικές ιδιότητές τους λήφθηκαν από τεχνικό φυλλάδιο που παρατίθεται στο παράρτημα Ι. Σχετικά με το ζήτημα επάρκειας της απόδοσης του συστήματος για την κάλυψη των απαιτήσεων ισχύουν εδώ όσα αναφέρθηκαν στο σενάριο 2. Δηλαδή, οι ώρες κατά τη διάρκεια των οποίων η θερμοκρασία των χώρων ήταν κάτω των 20 ο C ήταν συνολικά οκτώ. Οι ημερομηνίες και οι ώρες εμφάνισής τους φαίνονται στον πίνακα Στην εικόνα 6.15 φαίνεται η ετήσια απορρόφηση θερμότητας από το γεωεναλλάκτη σε χρονικό ορίζοντα 20 ετών. Εικόνα 6.15 Ετήσια απορρόφηση θερμότητας από το γεωεναλλάκτη. ΕΚΣΔ -141-

152 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Η εικόνα 6.16 και ο πίνακας 6.18 παρουσιάζουν το μέσο ρυθμό απορρόφησης θερμότητας από το γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια του 20 ου έτους λειτουργίας. Εικόνα 6.16 Μέσος ειδικός ρυθμός απορρόφησης θερμότητας (W/m) από το γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια του 20 ου έτους λειτουργίας. Πίνακας 6.18 Μέση μηνιαία απορροφούμενη θερμική ισχύς (kw) από το γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια του 20 ου έτους λειτουργίας. Μήνας Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαϊ Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ kw 46,28 32,27 16,72 2, ,08 30,24 Στις εικόνες 6.17 και 6.18 εμφανίζονται, αντίστοιχα, η μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη κατά την περίοδο θέρμανσης και η μέση θερμοκρασία εισόδου του ρευστού στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας. Εικόνα 6.17 Μέση μηνιαία και ετήσια θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη κατά την περίοδο θέρμανσης. ΕΚΣΔ -142-

153 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.18 Μέση μηνιαία και ετήσια θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας κατά τη διάρκεια των πρώτων 9 περιόδων θέρμανσης. Στον πίνακα 6.19 και στην εικόνα 6.19 παρουσιάζονται οι μέσοι βαθμοί συμπεριφοράς και απόδοσης της αντλίας θερμότητας και του συνολικού συστήματος κατά το 20 ο έτος λειτουργίας και για εικοσαετή χρονικό ορίζοντα. Τα μεγέθη που περιγράφονται είναι: - Ο εποχιακός βαθμός συμπεριφοράς (Seasonal Performance Factor) της αντλίας θερμότητας, ο οποίος υπολογίζεται από τη σχέση: Ετήσια θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας (kwh) S.P.F.= Απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια από Α.Θ. (kwh) - Ο εποχιακός βαθμός απόδοσης του συστήματος, ο οποίος υπολογίζεται από τη σχέση: S.P.F.*= Ετήσια θερμική απόδοση αντλίας θερμότητας (kwh) Απορροφούμενη ηλεκτρική ενέργεια από Α.Θ.+ Παρασιτική (kwh) Ο S.P.F.* δηλαδή περιλαμβάνει και την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια για την κυκλοφορία στο πρωτεύον και το δευτερεύον δίκτυο της αντλίας θερμότητας. Πίνακας 6.19 Βαθμοί συμπεριφοράς/απόδοσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 o ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ S.P.F. 3,026 3,042 S.P.F.* 2,933 2,949 Εικόνα 6.19 Διακύμανση βαθμών συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας και του συστήματος κατά τη διάρκεια 20 ετών λειτουργίας του συστήματος. ΕΚΣΔ -143-

154 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Στον πίνακα 6.20 φαίνονται η μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας και η μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια της πρώτης και της εικοστής περιόδου θέρμανσης. Πίνακας 6.20 Μέσες τιμές θερμοκρασιών. ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ 1 Η 20 Η ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟΝ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΤΗΣ Α.Θ. ( ο C) 5,66 4,70 ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗ 15,34 13,78 Από τα αποτελέσματα που προηγήθηκαν προκύπτει ότι η συνεχής αποφόρτιση του γεωεναλλάκτη οδηγεί σε μείωση: α) στην απορροφούμενη θερμότητα από το γεωεναλλάκτη, β) στις θερμοκρασίες του πρωτεύοντος κυκλώματος της αντλίας θερμότητας και του ίδιου του γεωεναλλάκτη και γ) στο βαθμό συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. Η μείωση στο βαθμό συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας μπορεί να πει κανείς ότι είναι αμελητέα, δηλαδή περίπου 1%. Στην εικόνα 6.20 παρουσιάζονται η μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας του γεωεναλλάκτη και οι θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου για την περίοδο θέρμανσης του 20 ου έτους λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 6.20 Μέση θερμοκρασία γεωεναλλάκτη κατά την 20 η περίοδο θέρμανσης. ΕΚΣΔ -144-

155 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Η εικόνα 6.21 δείχνει τη μεταβολή της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας εισόδου του ρευστού στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας και το μέσο ημερήσιο βαθμό συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. Εικόνα 6.21 Μέση ημερήσια θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας και μέσος ημερήσιος βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. Στο πίνακα 6.21 παρουσιάζεται ο μέγιστος ρυθμός απορρόφησης θερμικής ισχύος από το πεδίο των κατακόρυφων γεωτρήσεων και η ημερομηνία εμφάνισής του. Πίνακας 6.21 Μέγιστος ρυθμός απορρόφησης θερμότητας από το γεωεναλλάκτη και ημερομηνία παρατήρησής του. ΜΕΓΙΣΤΟΣ ΡΥΘΜΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 51,62 (W/m) 69,69 (kw) 18-Ιαν 3 Ο μέγιστος ρυθμός απορρόφησης αναμένεται να εμφανιστεί κατά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας του συστήματος, καθώς με την πάροδο των ετών η θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη (και η δυνατότητα απορρόφησης θερμότητας από αυτόν) μειώνεται. Την ώρα που η απορρόφηση θερμότητας είναι μέγιστη (9 π.μ. της 18 ης Ιανουαρίου του 3 ου έτους) η θερμική απαίτηση του κτιρίου επίσης είναι η μέγιστη (100 kw). Η σύγκριση με άλλες ώρες κατά τις οποίες η θερμική απαίτηση του κτιρίου και η απορρόφηση θερμότητας από το γεωεναλλάκτη είναι μέγιστη βασίζεται στο ιστορικό αποφόρτισης του γεωεναλλάκτη. Συγκεκριμένα, στις 8 π.μ. της 18 ης Ιανουαρίου η θερμική απαίτηση του κτιρίου ήταν η ΕΚΣΔ -145-

156 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης μικρότερη, σε σχέση με άλλες ώρες που ακολουθούνται από θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου ίσες με 100 kw. Κατά τη διάρκεια της 9 ης Ιανουαρίου (πρώτη ημέρα λειτουργίας του συστήματος μετά τις διακοπές των Χριστουγέννων) το σύστημα λειτουργεί για 24 συνεχόμενες ώρες για την αναθέρμανση του κτιρίου. Λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών του αέρα του περιβάλλοντος και της συνεχούς αποφόρτισης του γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια αυτής της ημέρας εμφανίζονται οι ελάχιστες θερμοκρασίες στα δύο δίκτυα της αντλίας θερμότητας. Στον πίνακα 6.22 παρουσιάζονται οι ελάχιστες τιμές των θερμοκρασιών στα δύο δίκτυα της αντλίας θερμότητας, καθώς και οι ημερομηνίες εμφάνισής τους. Πίνακας 6.22 Ελάχιστες θερμοκρασίες στα δύο κυκλώματα της αντλίας θερμότητας και ημερομηνίες εμφάνισής τους. ΚΥΚΛΩΜΑ Α.Θ. ΘΕΡΜΟΚΑΣΙΑ ( o C) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝ 0,14 9-Ιαν 17 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝ 40,6 9-Ιαν 8 Στους πίνακες 6.23 και 6.24 παρουσιάζονται, αντίστοιχα, συνολικά ενεργειακά μεγέθη και οι εκλυόμενοι ρύποι σε χρονικό ορίζοντα ενός έτους και εικοσαετίας. Στην εικόνα 6.22 παρουσιάζεται η ροή ενέργειας για το 20 ο έτος λειτουργίας του συστήματος. Πίνακας 6.23 Ενεργειακά μεγέθη. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ Πίνακας 6.24 Εκλυόμενοι ρύποι. kwh 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ ΤΗΣ Α.Θ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΓΙΑ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Α.Θ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΓΙΑ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ (kgco2) ΕΚΣΔ -146-

157 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.22 Ετήσια ροή ενέργειας κατά το 20 ο έτος λειτουργίας Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου και γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης Σε αυτή την παράγραφο αναλύεται ένα υβριδικό σύστημα αβαθούς γεωθερμίας με αντλία θερμότητας νερού-νερού σε σύζευξη με λέβητα πετρελαίου. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του λέβητα είναι όπως στο δεύτερο σενάριο. Ο λέβητας χρησιμοποιείται για την ικανοποίηση των έντονων θερμικών απαιτήσεων (πρωινή αναθέρμανση και πρώτες ώρες λειτουργίας του σχολείου) ώστε το απαιτούμενο μήκος του γεωεναλλάκτη και η απαιτούμενη θερμική απόδοση της αντλίας θερμότητας να είναι μειωμένα, σε σχέση με το προηγούμενο σενάριο (συμβατικό σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας). Η διαστασιολόγηση του γεωεναλλάκτη έγινε όπως στην παράγραφο , σύμφωνα με τη σχέση του Kavanaugh. Το αρχικό μήκος, σύμφωνα με τη σχέση, ήταν 1080 m. Μετά από προσομοιώσεις διαπιστώθηκε ότι ο γεωεναλλάκτης ήταν υπερδιαστασιολογημένος. Τελικά το μήκος του γεωεναλλάκτη που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το σενάριο είναι 720 m. Θεωρήθηκαν 9 κατακόρυφες γεωτρήσεις βάθους 80 m η καθεμία, με απόσταση 8 m μεταξύ τους. ΕΚΣΔ -147-

158 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Σε αυτή την περίπτωση οι ώρες που δεν ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των θερμικών φορτίων ανέρχονται στις 28 (περίπου 4% των συνολικών ωρών λειτουργίας του σχολείου). Στη διάρκεια αυτών των ωρών ο μέσος όρος θερμοκρασιών των ζωνών του σχολείου είναι μικρότερος από 19,5 ο C. Οι 22 από τις 28 ώρες εμφανίζονται κατά το μήνα Ιανουάριο και οι υπόλοιπες κατά το μήνα Φεβρουάριο. Η χειρότερη ημέρα είναι η δεύτερη Δευτέρα μετά τις γιορτές των Χριστουγέννων. Στη διάρκεια όλων των ωρών αυτής της ημέρας το σύστημα θέρμανσης αδυνατεί να ικανοποιήσει τις θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου. Αρχικά παρουσιάζεται σε χρονικό ορίζοντα εικοσαετίας η ετήσια απορρόφηση θερμότητας από το γεωεναλλάκτη (εικόνα 6.23). Εικόνα 6.23 Ετήσια απορρόφηση θερμότητας από το γεωεναλλάκτη σε εικοσαετή χρονικό ορίζοντα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές της ετήσιας απορρόφησης θερμότητας από το γεωεναλλάκτη για το 20 ο έτος λειτουργίας (πίνακας 6.25, εικόνα 6.24). Πίνακας 6.25 Μέση μηνιαία απορροφούμενη θερμική ισχύς (kw) από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. Μήνας Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαϊ Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ kw 29,46 21,75 15,09 3, ,78 23,95 Εικόνα 6.24 Μέσος ειδικός ρυθμός απορρόφησης θερμότητας (W/m) από το γεωεναλλάκτη κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. ΕΚΣΔ -148-

159 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Στην εικόνα 6.25 παρουσιάζονται οι ετήσιοι βαθμοί συμπεριφοράς S.P.F. και S.P.F.* για 20 έτη λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 6.25 Μεταβολή βαθμών συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας και του συστήματος κατά τη διάρκεια 20 ετών λειτουργίας του συστήματος. Στον πίνακα 6.26 παρουσιάζονται οι μέσοι βαθμοί συμπεριφοράς και απόδοσης της αντλίας θερμότητας και του συνολικού συστήματος κατά το 20 ο έτος λειτουργίας και για εικοσαετή χρονικό ορίζοντα. Πίνακας 6.26 Βαθμοί συμπεριφοράς/απόδοσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 o ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ S.P.F. 3,17 3,18 S.P.F.* 3,091 3,102 Στον πίνακα 6.27 φαίνεται η μεταβολή στη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας καθώς και τη μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη στην πρώτη και την εικοστή περίοδο θέρμανσης. Πίνακας 6.27 Μέσες τιμές θερμοκρασιών. ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ 1 Η 20 Η ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟΝ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΤΗΣ Α.Θ. ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΠΕΔΑΦΙΑΣ ΑΠΟΘΗΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ( ο C) 8,27 7,33 15,16 13,97 Στις εικόνες 6.26 και 6.27 παρουσιάζονται διαγραμματικά οι μεταβολές στη μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη και τη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας, αντίστοιχα. ΕΚΣΔ -149-

160 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.26 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία γεωεναλλάκτη κατά τη λειτουργία του συστήματος. Εικόνα 6.27 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας κατά τη διάρκεια των πρώτων 9 περιόδων θέρμανσης. Στους πίνακες 6.28 και 6.29 παρουσιάζονται ακραίες τιμές του ρυθμού πρόσδοσης και απορρόφησης θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας, καθώς και ελάχιστες τιμές των θερμοκρασιακών των διάφορων κλειστών κυκλωμάτων του συστήματος. Πίνακας 6.28 Μέγιστος ρυθμός απορρόφησης θερμότητας από το γεωεναλλάκτη και ημερομηνία παρατήρησής του. ΜΕΓΙΣΤΟΣ ΡΥΘΜΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 57,08 (W/m) 14-Ιαν 1 41,62 (kw) ΕΚΣΔ -150-

161 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.29 Ελάχιστες θερμοκρασίες στα δύο κυκλώματα της αντλίας θερμότητας και στο κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών και ημερομηνίες εμφάνισής τους. ΚΥΚΛΩΜΑ Α.Θ. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( ο C) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝ 3,81 17-Ιαν 17 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝ 40,26 23-Δεκ 15 Οι πίνακες 6.30 και 6.31 συμπληρώνονται (αντίστοιχα) από τα συνολικά ενεργειακά μεγέθη και τους εκλυόμενους ρύπους για την αρχή (1 ο έτος), την ενδιάμεση φάση (10 ο έτος) και τη σταθερή κατάσταση (20 ο έτος) λειτουργίας του συστήματος. Στην εικόνα 6.28 φαίνεται το διάγραμμα ροής ενέργειας για το 20 ο έτος λειτουργίας. Πίνακας 6.30 Ενεργειακά μεγέθη. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ (kwh) 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΛΕΒΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΩΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ ΤΗΣ Α.Θ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΛΕΒΗΤΑΣ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ Πίνακας 6.31 Εκλυόμενοι ρύποι. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ (kgco2) ΕΚΣΔ -151-

162 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.28 Ετήσια ροή ενέργειας κατά το 20 ο έτος λειτουργίας Υβριδικό σύστημα λέβητα πετρελαίου και γεωθερμικής αντλίας θερμότητας νερού-νερού με πρόγραμμα πρωινής αναθέρμανσης και ηλιακή υποβοήθηση Η προτεινόμενη εγκατάσταση του συστήματος θέρμανσης από την ενεργειακή μελέτη παρουσιάζεται διαγραμματικά στην εικόνα 2.6. Η διαφοροποίηση που έγινε για να πραγματοποιηθούν οι προσομοιώσεις παρουσιάζεται διαγραμματικά στην εικόνα 6.1. Η προσομοίωση του συστήματος θέρμανσης στο TRNSYS έγινε αφού προηγήθηκε διακρίβωση της λειτουργίας του, με τον εξής τρόπο: Προσομοιώθηκε μόνο η διάταξη στην οποία το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών συνδέεται με το πεδίο των κατακόρυφων γεωτρήσεων. Δε λήφθηκε υπόψη η θερμική συμπεριφορά όλου του υπόλοιπου συστήματος, δηλαδή παραλήφθηκαν οι απαιτήσεις σε θερμικά φορτία. Στις προσομοιώσεις παραμετροποιήθηκαν τα παρακάτω μεγέθη: - Η επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών - Ο προσανατολισμός των ηλιακών συλλεκτών - Η κλίση των ηλιακών συλλεκτών ΕΚΣΔ -152-

163 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Τα χαρακτηριστικά της υπεδάφιας αποθήκης (σταθερά μεγέθη, αρχικές συνθήκες κτλ.) αναλύονται στην παράγραφο 6.5. Τα θερμικά φορτία καθώς και οι ώρες λειτουργίας παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 5 (πίνακας 5.11, εικόνα 5.13). Τέλος, για την περαιτέρω μείωση της πρωτογενούς ενέργειας προτείνεται η εγκατάσταση δύο φωτοβολταϊκών στοιχείων συνολικής επιφάνειας 4 m 2 στη νοτιοανατολική πλευρά της στέγης, όπου υπάρχει διαθέσιμη επιφάνεια. Θεωρήθηκε σταθερός βαθμός απόδοσης ίσος με 0,12. Διακρίβωση λειτουργίας «φόρτιση» γεωεναλλάκτη Από τις διερευνήσεις που έγιναν διακριβώθηκε η λειτουργία του συστήματος που χρησιμοποιήθηκε στο TRNSYS. Στον πίνακα 6.32 φαίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη των προσομοιώσεων. Στην εικόνα 6.29 διαγράφεται το προφίλ της μέσης μηνιαίας και της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας. Πίνακας ο έτος προσομοίωσης της διάταξης: μέση θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας και ετήσια μετάδοση θερμότητας από το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών στην αποθήκη. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Επιφάνεια (m 2 ) Κλίση ( ο ) Προσανατολισμός ( ο ) Θερμοκρασία ( ο C) Ενέργεια (kwh) , , , , , , , , , , , , / 18 20, / 24 21, / / 36 24, / 48 26, ΕΚΣΔ -153-

164 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.29 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας. Κλίση και προσανατολισμός: όπως προτείνεται στη μελέτη. Επιφάνεια πεδίου: 96 m 2. Σύστημα θέρμανσης με συνολική επιφάνεια πεδίων ηλιακών συλλεκτών 48 m 2 Αρχικά παρουσιάζονται σε χρονικό ορίζοντα εικοσαετίας η ετήσια πρόσδοση και απορρόφηση θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας (εικόνα 6.30). Εικόνα 6.30 Ετήσια πρόσδοση και απορρόφηση θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας σε εικοσαετή χρονικό ορίζοντα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές της ετήσιας πρόσδοσης και απορρόφησης θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας για το 20 ο έτος λειτουργίας (εικόνα 6.31, πίνακας 6.33). Εικόνα 6.31 Μέσος ειδικός ρυθμός πρόσδοσης/απορρόφησης θερμότητας (W/m) προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. ΕΚΣΔ -154-

165 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.33 Μέση μηνιαία θερμική ισχύς (kw) που προσδίδεται/απορροφάται προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. ΜΗΝΑΣ ΠΡΟΣΔΟΣΗ (kw) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (kw) Ιαν 3,00 22,09 Φεβ 5,28 17,00 Μαρ 9,34 14,19 Απρ 9,67 1,98 Μαϊ 11,98 0,05 Ιουν 13,54 0 Ιουλ 13,72 0 Αυγ 13,00 0 Σεπ 10,93 0,09 Οκτ 7,66 0,28 Νοε 5,22 9,25 Δεκ 3,68 20,23 Τα μεγέθη των διάφορων βαθμών απόδοσης συσκευών και διατάξεων για το 20 ο έτος και για περίοδο 20 ετών παρουσιάζονται στον πίνακα Πίνακας 6.34 Βαθμοί συμπεριφοράς/απόδοσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 o ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ S.P.F. 3,416 3,400 S.P.F.* 3,134 3,117 β.α. ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ 0,439 0,444 ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΟΥΣ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ 0,327 0,323 ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΗΛIAKH ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ 0,144 0,144 Στην εικόνα 6.32 παρουσιάζονται οι ετήσιοι βαθμοί συμπεριφοράς S.P.F. και S.P.F.* για 20 έτη λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 6.32 Μεταβολή βαθμών συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας και του συστήματος κατά τη διάρκεια 20 ετών λειτουργίας του συστήματος. ΕΚΣΔ -155-

166 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Στον πίνακα 6.35 φαίνεται η μεταβολή στη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας καθώς και στη μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη (υπεδάφια αποθήκη θερμότητας) ανάμεσα στην πρώτη και την εικοστή περίοδο θέρμανσης. Πίνακας 6.35 Μέσες τιμές θερμοκρασιών. ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ 1 Η 20 Η ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟΝ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΤΗΣ Α.Θ. ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΠΕΔΑΦΙΑΣ ΑΠΟΘΗΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Στις εικόνες 6.33, 6.34 και 6.35 παρουσιάζονται διαγραμματικά οι μεταβολές στη μέση θερμοκρασία της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας, στη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας και στη μέση θερμοκρασία στο δίκτυο των ηλιακών συλλεκτών. ( ο C) 12,74 14,27 16,94 19,20 Εικόνα 6.33 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας. Εικόνα 6.34 Μέση μηνιαία θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας κατά τη διάρκεια των πρώτων 9 περιόδων θέρμανσης. Η πράσινη καμπύλη συμβολίζει την τάση του μεγέθους. ΕΚΣΔ -156-

167 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.35 Μέση μηνιαία θερμοκρασία και μέση ετήσια θερμοκρασία στο κύκλωμα του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών κατά τη διάρκεια των πρώτων δέκα ετών λειτουργίας του συστήματος. Στα αποτελέσματα που παρατέθηκαν παρατηρείται σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας (λόγω της «φόρτισης» του υπεδάφους), που οδηγεί σε αύξηση της απορροφούμενης θερμότητας από το υπέδαφος, καθώς και αύξηση στην ενεργειακή απόδοση της αντλίας θερμότητας. Στην εικόνα 6.36 σχηματίζεται η μέση ωριαία θερμοκρασία της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας και οι ωριαίες θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου κατά την 20 η περίοδο θέρμανσης. Εικόνα 6.36 Μέση θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας και ωριαίες θερμικές απαιτήσεις κτιρίου κατά την 20 η περίοδο θέρμανσης. Στην εικόνα 6.37 εμφανίζονται η μέση ημερήσια θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας, η μέση ημερήσια θερμοκρασία του δικτύου των ηλιακών συλλεκτών και ο μέσος βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. ΕΚΣΔ -157-

168 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.37 Μέση ημερήσια θερμοκρασία εισόδου του ρευστού στην είσοδο του εξατμιστήρα, μέση θερμοκρασία του δικτύου των ηλιακών συλλεκτών και μέσος βαθμός συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας κατά την 20 η περίοδο θέρμανσης. Η εικόνα 6.38 δείχνει τη μέση ωριαία θερμοκρασία της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας και τη μέση ημερήσια θερμοκρασία του δικτύου των ηλιακών συλλεκτών καθ όλη τη διάρκεια του 20 ου έτους λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 6.38 Μέση ωριαία θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας και μέση ημερήσια θερμοκρασία δικτύου ηλιακών συλλεκτών. Στους πίνακες 6.36 και 6.37 παρουσιάζονται ακραίες τιμές του ρυθμού πρόσδοσης και απορρόφησης θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας, καθώς και ελάχιστες τιμές των θερμοκρασιακών των διάφορων κλειστών κυκλωμάτων του συστήματος. ΕΚΣΔ -158-

169 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.36 Μέγιστος ρυθμός πρόσδοσης/απορρόφησης θερμότητας στην/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας και ημερομηνία παρατήρησής του. ΜΕΓΙΣΤΟΣ ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (W/m) 57,52 ΠΡΟΣΔΟΣΗ (kw) 31,06 (W/m) 79,51 ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (kw) 42,93 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 8-Ιουλ 1 17-Ιαν 20 Πίνακας 6.37 Ελάχιστες θερμοκρασίες στα δύο κυκλώματα της αντλίας θερμότητας και στο κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών και ημερομηνίες εμφάνισής τους. ΚΥΚΛΩΜΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( ο C) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝ Α.Θ. 3,83 14-Ιαν 1 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝ Α.Θ. 40,00 23-Δεκ 1 ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ 3,35 29-Δεκ 2 Οι πίνακες 6.38 και 6.39 συμπληρώνονται από τα συνολικά ενεργειακά μεγέθη και τους εκλυόμενους ρύπους (αντίστοιχα) για την αρχή (1 ο έτος), την ενδιάμεση φάση (10 ο έτος) και τη σταθερή κατάσταση (20 ο έτος) λειτουργίας του συστήματος. Πίνακας 6.38 Ενεργειακά μεγέθη. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ (kwh) 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΛΕΒΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΩΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ ΤΗΣ Α.Θ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΛΕΒΗΤΑΣ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΚΣΔ -159-

170 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Πίνακας 6.39 Εκλυόμενοι ρύποι. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ (kgco2) Στην εικόνα 6.39 φαίνεται το διάγραμμα ροής ενέργειας για το 20 ο έτος λειτουργίας. Εικόνα 6.39 Ετήσια ροή ενέργειας κατά το 20 ο έτος λειτουργίας. ΕΚΣΔ -160-

171 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Σύστημα θέρμανσης με χαρακτηριστικά πεδίων ηλιακών συλλεκτών τα εξής: συνολική επιφάνεια 72 m 2, βέλτιστη κλίση (43 ο ) και βέλτιστη γωνία αζιμούθιο (8 ο ) Τα χαρακτηριστικά των συσκευών και των διατάξεων του υπόλοιπου συστήματος παραμένουν ως έχουν. Με την αύξηση της συνολικής επιφάνειας και τη μεταβολή στην κλίση και τον προσανατολισμό των ηλιακών συλλεκτών επιδιώκεται βελτίωση του βαθμού συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας και του συστήματος, λόγω αύξησης των θερμοκρασιών της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας. Αρχικά παρουσιάζονται σε χρονικό ορίζοντα εικοσαετίας η ετήσια πρόσδοση και απορρόφηση θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας (εικόνα 6.40). Εικόνα 6.40 Ετήσια πρόσδοση και απορρόφηση θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας σε εικοσαετή χρονικό ορίζοντα. Oι μέσες μηνιαίες τιμές της ετήσιας πρόσδοσης και απορρόφησης θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας για το 20 ο έτος λειτουργίας φαίνονται στον πίνακα 6.40 και στην εικόνα Πίνακας 6.40 Μέση μηνιαία θερμική ισχύς (kw) που προσδίδεται/απορροφάται προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. ΜΗΝΑΣ ΠΡΟΣΔΟΣΗ (kw) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (kw) Ιαν 11,48 21,60 Φεβ 13,26 16,93 Μαρ 17,88 15,11 Απρ 16,74 2,16 Μαϊ 17,63 0,10 Ιουν 18,64 0,00 Ιουλ 18,53 0,00 Αυγ 19,31 0,00 Σεπ 17,91 0,10 Οκτ 15,05 0,35 Νοε 13,91 10,18 Δεκ 13,59 23,66 ΕΚΣΔ -161-

172 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.41 Μέσος ειδικός ρυθμός πρόσδοσης/απορρόφησης θερμότητας (W/m) προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια του τελευταίου έτους λειτουργίας. Τα μεγέθη των διάφορων βαθμών απόδοσης συσκευών και διατάξεων για το 20 ο έτος και για περίοδο 20 ετών παρουσιάζονται στον πίνακα Πίνακας 6.41 Βαθμοί συμπεριφοράς/απόδοσης. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 20 o ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ S.P.F. 3,609 3,588 S.P.F.* 3,252 3,231 β.α. ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ 0,612 0,621 ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΟΥΣ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ 0,222 0,218 ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΗΛIAKH ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ 0,136 0,136 Στην εικόνα 6.42 παρουσιάζονται οι ετήσιοι βαθμοί συμπεριφοράς S.P.F. και S.P.F.* για 20 έτη λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 6.42 Μεταβολή βαθμών συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας και του συστήματος κατά τη διάρκεια 20 ετών λειτουργίας του συστήματος. ΕΚΣΔ -162-

173 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Στον πίνακα 6.42 φαίνεται η μεταβολή στη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας καθώς και στη μέση θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη (υπεδάφια αποθήκη θερμότητας) ανάμεσα στην πρώτη και την εικοστή περίοδο θέρμανσης. Πίνακας 6.42 Μέσες τιμές θερμοκρασιών. ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ 1 Η 20 Η ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟΝ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑ ΤΗΣ Α.Θ. ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΠΕΔΑΦΙΑΣ ΑΠΟΘΗΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ( ο C) 16,44 18,97 18,98 23,00 Στις εικόνες 6.43, 6.44 και 6.45 παρουσιάζονται διαγραμματικά οι μεταβολές στη μέση θερμοκρασία της υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας, τη μέση θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας και τη μέση θερμοκρασία στο δίκτυο των ηλιακών συλλεκτών. Εικόνα 6.43 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία υπεδάφιας αποθήκης θερμότητας. Εικόνα 6.44 Μέση μηνιαία και μέση ετήσια θερμοκρασία εισόδου στον εξατμιστήρα της αντλίας θερμότητας κατά τη διάρκεια των πρώτων 9 περιόδων θέρμανσης. ΕΚΣΔ -163-

174 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.45 Μέση μηνιαία θερμοκρασία και μέση ετήσια θερμοκρασία στο κύκλωμα του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών κατά τη διάρκεια των πρώτων δέκα ετών λειτουργίας του συστήματος. Στους πίνακες 6.43 και 6.44 παρουσιάζονται ακραίες τιμές του ρυθμού πρόσδοσης και απορρόφησης θερμότητας προς/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας, καθώς και ελάχιστες τιμές των θερμοκρασιακών των διάφορων κλειστών κυκλωμάτων του συστήματος. Πίνακας 6.43 Μέγιστος ρυθμός πρόσδοσης/απορρόφησης θερμότητας στην/από την υπεδάφια αποθήκη θερμότητας και ημερομηνία παρατήρησής του. ΜΕΓΙΣΤΟΣ ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΣΔΟΣΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (W/m) 85,30 (kw) 46,06 (W/m) 83,68 (kw) 45,18 19-Σεπ 1 14-Ιαν 15 Πίνακας 6.44 Ελάχιστες θερμοκρασίες στα δύο κυκλώματα της αντλίας θερμότητας και στο κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών και ημερομηνίες εμφάνισής τους. ΚΥΚΛΩΜΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΟΣ ( ο C) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝ Α.Θ. 5,58 20-Ιαν 1 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝ Α.Θ. 40,12 23-Δεκ 1 ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ 5,83 13-Ιαν 5 Οι πίνακες 6.45 και 6.46 συμπληρώνονται από τα συνολικά ενεργειακά μεγέθη και τους εκλυόμενους ρύπους (αντίστοιχα) για την αρχή (1 ο έτος), την ενδιάμεση φάση (10 ο έτος) και ΕΚΣΔ -164-

175 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης τη σταθερή κατάσταση (20 ο έτος) λειτουργίας του συστήματος. Στην εικόνα 6.46 φαίνεται το διάγραμμα ροής ενέργειας για το 20 ο έτος λειτουργίας. Πίνακας 6.45 Ενεργειακά μεγέθη. ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ Πίνακας 6.46 Εκλυόμενοι ρύποι. (kwh) 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΛΕΒΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΩΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ ΤΗΣ Α.Θ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΛΕΒΗΤΑΣ ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ (ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ) ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΧΡΟΝΙΚΟΣ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ 1 ο ΕΤΟΣ 10 ο ΕΤΟΣ 20 ο ΕΤΟΣ 20 ΕΤΗ (kgco2) ΕΚΣΔ -165-

176 Κεφ. 6: Προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος θέρμανσης Εικόνα 6.46 Ετήσια ροή ενέργειας κατά το 20 ο έτος λειτουργίας. ΕΚΣΔ -166-

177 Κεφ. 7: Συμπεράσματα 7. Συμπεράσματα Από την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας προκύπτουν, για τη θερμική συμπεριφορά του κτιρίου, τα εξής συμπεράσματα: 1) Η απαίτηση ισχύος για τη θέρμανση του σχολικού κτιρίου είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Η διακοπτόμενη λειτουργία της θέρμανσης οδηγεί σε πολύ υψηλές τιμές απαίτησης ισχύος του συστήματος για την πρωινή αναθέρμανση του κτιρίου (περίπου 300 kw). Στην περίπτωση που η λειτουργία του συστήματος θέρμανσης θα ήταν αδιάκοπη το μέγιστο θερμικό φορτίο θα ήταν μόλις το 23,8% (71,5 kw) αυτού που υπολογίστηκε για τη διακοπτόμενη λειτουργία. 2) Η εναλλακτική τοποθέτηση της θερμομόνωσης από την εσωτερική πλευρά των δομικών στοιχείων συνεισφέρει ελάχιστα στη μείωση των συνολικών ετήσιων ενεργειακών απαιτήσεων (μόλις 5%). Αυτό συμβαίνει διότι στα σχολικά κτίρια οι αίθουσες διδασκαλίας έχουν επί των πλείστων μόνο 1 ή 2 πλευρές που έρχονται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα περιβάλλοντος, ενώ οι υπόλοιπες είναι εσωτερικές. Επιπρόσθετα, η επιφάνεια των εξωτερικών πλευρών αποτελείται κατά το ήμισυ περίπου από υαλοπίνακες οι οποίοι προφανώς δεν επιδέχονται θερμομόνωση. Εκτός αυτών, η συνολική θερμοχωρητικότητα των εσωτερικών δομικών στοιχείων και επίπλων είναι μεγάλη και επηρεάζει αισθητά τη θερμοκρασία των χώρων. 3) Το πρόβλημα της πρωινής αναθέρμανσης είναι περίπλοκο. Η επίλυσή του απαιτεί την κατάστρωση στρατηγικών ελέγχου και προγραμματισμού της λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης, που θα λαμβάνουν υπόψη το πραγματικό ωράριο λειτουργίας του σχολείου, το κτιριακό κέλυφος και τη διάταξη του συστήματος θέρμανσης και του διαθέσιμου εξοπλισμού. 4) Η συνολική ετήσια απαίτηση ενέργειας για θέρμανση είναι μικρή. Το γεγονός αυτό παρατηρείται διότι, το ωράριο λειτουργίας του σχολείου είναι μειωμένο (40 ώρες λειτουργίας ανά εβδομάδα). Επιπρόσθετα, εμφανίζονται υψηλά θερμικά κέρδη κυρίως λόγω παρουσίας ατόμων στους χώρους του σχολείου. Για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων του κτιρίου μελετήθηκαν πέντε εναλλακτικές λύσεις: 1) Σύστημα με λέβητα ισχύος 300 kw, χωρίς σενάριο πρωινής αναθέρμανσης. 2) Σύστημα με λέβητα ισχύος 100 kw, με σενάριο πρωινής αναθέρμανσης. 3) Σύστημα με γεωθερμική αντλία θερμότητας 120 kw, με σενάριο πρωινής αναθέρμανσης 4) Υβριδικό σύστημα με γεωθερμική αντλία θερμότητας 60 kw και λέβητα 100 kw, με σενάριο πρωινής αναθέρμανσης. ΕΚΣΔ -167-

178 Κεφ. 7: Συμπεράσματα 5) Υβριδικό σύστημα με γεωθερμική αντλία θερμότητας 60 kw με λέβητα 100 kw και ηλιακή υποβοήθηση, με σενάριο πρωινής αναθέρμανσης, για επιφάνειες πεδίου ηλιακών συλλεκτών: α) 48 m 2 και β) 72 m 2. Οι βαθμοί απόδοσης των συσκευών των συστημάτων που μελετήθηκαν φαίνονται στον πίνακα 7.1. Πίνακας 7.1 Βαθμοί απόδοσης των συσκευών καθενός από τα συστήματα που εξετάστηκαν. Σύστημα α 5β Βαθμός συμπεριφοράς Α.Θ ,026 3,17 3,416 3,609 Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας (20 ο έτος) (kwh) Ετήσια απαίτηση ενέργειας για θέρμανση (kwh) Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις των πέντε προτεινόμενων συστημάτων θέρμανσης οδηγούν στα παρακάτω συμπεράσματα: Η εγκατάσταση ενός λέβητα ισχύος 300 kw σε συνδυασμό με ένα δίκτυο ικανό να διανείμει αυτή τη θερμική ισχύ δεν είναι η ιδανική λύση, καθώς η εξαιρετικά μεγάλη θερμική απαίτηση των 300 kw εμφανίζεται μόνο μία ημέρα στη διάρκεια του έτους. Στην περίπτωση που πρόκειται να επιλεγεί ένα συμβατικό σύστημα θέρμανσης, προτιμότερη είναι η εγκατάσταση λέβητα μικρότερης ισχύος (100 kw) από τη μέγιστη απαιτούμενη, με την ενεργοποίηση ενός προγράμματος πρωινής αναθέρμανσης του κτιρίου. Η πρόταση ενός συστήματος αβαθούς γεωθερμίας που ικανοποιεί πλήρως τις θερμικές απαιτήσεις του κτιρίου συνεπάγεται την εγκατάσταση γεωθερμικής αντλίας θερμότητας ονομαστικής ισχύος 120 kw και γεωεναλλάκτη με συνολικό μήκος γεώτρησης 1350 m. Αυτό το σύστημα, εάν συγκριθεί με ένα συμβατικό σύστημα με λέβητα πετρελαίου ονομαστικής ισχύος 100 kw, οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας σε εικοσαετή βάση σε ποσοστό 19% (με την παραδοχή ότι ο συντελεστής μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε πρωτογενή είναι ίσος με 2,9). Η πρόταση ενός υβριδικού συστήματος με λέβητα πετρελαίου ονομαστικής ισχύος 100 kw, γεωθερμική αντλία θερμότητας νερού-νερού ονομαστικής ισχύος 60 kw σε σύζευξη με γεωεναλλάκτη με συνολικό μήκος γεώτρησης 540 m και ηλιακή υποβοήθηση με συνολική επιφάνεια πεδίων ηλιακών συλλεκτών 48 m 2 οδηγεί στην ίδια μείωση σε πρωτογενή ενέργεια με το προηγούμενο σύστημα αβαθούς γεωθερμίας. Η μείωση στην απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύ της αντλίας θερμότητας και, κυρίως, η μείωση στο συνολικό ΕΚΣΔ -168-

179 Κεφ. 7: Συμπεράσματα απαιτούμενο μήκος γεώτρησης καθιστούν σαφώς προτιμότερο το υβριδικό σύστημα, λόγω του προφανώς μειωμένου κόστους του. Όσον αφορά τη σύγκριση των δυο υβριδικών συστημάτων με γεωθερμική αντλία θερμότητας και ηλιακή υποβοήθηση, διαπιστώνεται ότι η αύξηση της επιφάνειας του πεδίου των ηλιακών συλλεκτών κατά 50% δε συνεισφέρει σημαντικά στην αύξηση του βαθμού συμπεριφοράς της αντλίας θερμότητας. Ένας λόγος που η εγκατάσταση μεγαλύτερου πεδίου ηλιακών συλλεκτών κρίνεται περιττή στην περίπτωση του Γυμνασίου της Μεγάλης Παναγίας είναι ότι η λειτουργία της αντλίας θερμότητας στα υψηλά επίπεδα θερμοκρασιών του ρευστού του πρωτεύοντος δικτύου που προσφέρονται δεν είναι αποδοτική. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση στα αποτελέσματα που προέκυψαν με χρήση του προγράμματος TRNSYS με αυτά της ενεργειακής μελέτης. Οι διαφορές στα βασικά μεγέθη των δύο εργασιών παρουσιάζονται στον πίνακα 7.2. Παρατηρώντας τα αποτελέσματα διακρίνεται ελάχιστη διαφορά στα ενεργειακά μεγέθη και ιδιαίτερα μεγάλη απόκλιση στο βαθμό αποθήκευσης της αποθήκευσης θερμότητας του γεωεναλλάκτη. Το γεγονός αυτό αναδεικνύει ότι η προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του συστήματος συνεισφέρει σε μεγάλο βαθμό στα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης, αλλά και στις εκτιμήσεις και τις παραδοχές που γίνονται κατά το σχεδιασμό των ενεργειακών συστημάτων. Πίνακας 7.2 Σύγκριση των αποτελεσμάτων της μελέτης με αυτά που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις. Μέγεθος Μελέτη Προσομοίωση Ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας (kwh) Βαθμός συμπεριφοράς αντλίας θερμότητας 4,84 3,42 Βαθμός απόδοσης αποθήκευσης γεωεναλλάκτη 0,731 0,307 Βαθμός απόδοσης ηλιακών συλλεκτών 0,36 0,44 ΕΚΣΔ -169-

180 Κεφ. 8: Βιβλιογραφία 8. Βιβλιογραφία [1] ASHRAE, Handbook of Applications - Chapter 32: Geothermal Energy. Atlanta, Georgia: ASHRAE Inc. [2] Μπόζης, Δ. Α., Ο πάσσαλος θεμελίωσης ως γεωεναλλάκτης: Διερευνήσεις για τη θερμική του συμπεριφορά. Θεσσαλονίκη: Α.Π.Θ., Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών. [3] Μιχόπουλος, Α. Κ., Θεωρητική και πειραματική μελέτη γεωεναλλάκτη θερμότητας. Θεσσαλονίκη: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών. [4] Shahed, A. M. & Harrison, S. J., Preliminary review of goethermal solar assisted heat pumps, Kingston, Canada: 4th Annual Canadian Solar Buildings Conference. [5] Rafferty, K. P., An informational survival kit for the prospective geothermal heat pump owner. Klamath Falls: Oregon Institute of Technology. [6] Kavanaugh, S. P. & Rafferty, K., Ground-Source Heat Pumps: Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings. Atlanta, Georgia: ASHRAE. [7] Hellström, G., Ground Heat Storage - Thermal Analyses of Duct Storage Systems. Sweden: Department of Mathematical Physics, University of Lund. [8] Duffie, J. A. & Beckman, W. A., Solar engineering of thermal processes. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. [9] Kjelsson, E., Solar collectors combined with ground-source heat pumps in dwellings: Analyses of system performance. Lund, Sweeden: Building Physics LTH, Lund University. [10] Ozgener, O. & Hepbasli, A., Performance analysis of a solar-assisted groundsource heat pump system for greenhouse heating:an experimental study. Applied Thermal Engineering, Τόμος 75, pp [11] Trillat-Berdal, V. V., Souyri, B. & Fraisse, G., Experimental study of a groundcoupled heat pump combined with thermal solar collectors. Energy and Buildings, Τόμος 38, pp [12] Eslami-nejad, P. και συν., Solar heat injection into boreholes. Toronto, Ontario, 4th Canadian Solar Buildings Conference, pp [13] Chapuis, S. & Bernier, M. A., Seasonal storage of solar energy in borehole heat exchangers. Glasgow, Scotland, pp [14] Helpin, V., Kummert, M. & Cauret, O., Experimental and simulation study of hybrid ground-source heat pump systems with unglazed solar collectors for French office ΕΚΣΔ -170-

181 Κεφ. 8: Βιβλιογραφία buildings. Sydney, Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, pp [15] Dai, L. και συν., Experimental performance analysis of a solar assisted ground source heat pump system under different heating operation modes. Applied Thermal Engineering 75, 2 October, pp [16] Μπόζης, Δ. Α., Νέο κέλυφος, γεωθερμική αντλία θερμότητας με ηλιακή υποβοήθηση και νέα εγκατάσταση φωτισμού στο Γυμνάσιο Μεγάλης Παναγίας: Ενεργειακή προμελέτη παρεμβάσεων. Θεσσαλονίκη. [17] Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδας, Τεχνική οδηγία /2010: Αναλυτικές εθνικές προδιαγραφές παραμέτρων για τον υπολογισμό της ενεργειακής απόδοσης κτιρίων και την έκδοση του πιστοποιητικού ενεργειακής απόδοσης. Α' επιμ. Αθήνα: Υ.Π.Ε.Κ.Α.-Τ.Ε.Ε. [18] Klein, S. A. και συν., TRNSYS 16 - A TRansient SYstem Simulation program, WI, USA: Solar Energy Laboratory, University of Madison. [19] [20] [21] [22] [23] software/docs/komponenten/komponenten_ts_en.htm [24] meteonorm.com [25] Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδας, Τεχνική οδηγία /2010: Κλιματικά δεδομένα Ελληνικών περιοχών. Α' επιμ. Αθήνα: Υ.Π.Ε.Κ.Α.-Τ.Ε.Ε. [26] Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδας, Τεχνική οδηγία /2010: Θερμοφυσικές ιδιότητες δομικών υλικών και έλεγχος της θερμομονωτικής επάρκειας των κτιρίων. Α' επιμ. Αθήνα: Υ.Π.Ε.Κ.Α.-Τ.Ε.Ε. [27] [28] Pahud, D., Duct ground heat storage model for TRNSYS (TRNVDST) version, Lausanne, Switzerland: EPFL - LASEN. [29] ΕΚΣΔ -171-

182 Κεφ. 9: Παραρτήματα 9. Παραρτήματα Παράρτημα Α: Ενεργειακή κατάταξη του κτιρίου Εικόνα Α.1 Ενεργειακή κατάταξη και πρωτογενής ενέργεια ανά τελική χρήση του υπάρχοντος κτιρίου και του προτεινόμενου σεναρίου. ΕΚΣΔ -172-

183 Κεφ. 9: Παραρτήματα Εικόνα Α.2 Καταναλώσεις κτιρίου αναφοράς. ΕΚΣΔ -173-

184 Κεφ. 9: Παραρτήματα Εικόνα Α.3 Ενεργειακή κατάταξη, απόδοση, ενεργειακές απαιτήσεις και καταναλώσεις υπάρχοντος κτιρίου. ΕΚΣΔ -174-

185 Κεφ. 9: Παραρτήματα Εικόνα Α.4 Ενεργειακή κατάταξη, απόδοση, ενεργειακές απαιτήσεις και καταναλώσεις προτεινόμενου σεναρίου. ΕΚΣΔ -175-

186 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Β: Υπολογισμός συντελεστών θερμοπερατότητας των νέων κουφωμάτων ΕΚΣΔ -176-

187 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -177-

188 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -178-

189 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -179-

190 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -180-

191 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -181-

192 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -182-

193 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -183-

194 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -184-

195 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Γ: Υπολογισμός συντελεστών θερμοπερατότητας αδιαφανών δομικών στοιχείων ΕΚΣΔ -185-

196 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -186-

197 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -187-

198 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -188-

199 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -189-

200 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -190-

201 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -191-

202 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -192-

203 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -193-

204 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -194-

205 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -195-

206 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -196-

207 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -197-

208 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -198-

209 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -199-

210 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -200-

211 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -201-

212 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -202-

213 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -203-

214 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -204-

215 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Δ: Ιδιότητες εδάφους της Μεγάλης Παναγίας ΕΚΣΔ -205-

216 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -206-

217 Κεφ. 9: Παραρτήματα ΕΚΣΔ -207-

218 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Ε: Διαχωρισμός του κτιρίου σε θερμικές ζώνες Εικόνα Ε.1 Διαχωρισμός του ισογείου σε θερμικές ζώνες. Εικόνα Ε.2 Διαχωρισμός του ισογείου σε θερμικές ζώνες. ΕΚΣΔ -208-

219 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα ΣΤ: Προφίλ παρουσίας ατόμων και λειτουργίας συσκευών Παρουσία ατόμων στις αίθουσες (Ζώνες 6,7,12) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8: :30 9:15 1 9:15 9: :25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στα γραφεία (Ζώνη 3) Από Έως Άτομα 0:00 8:00 0 8:00 8: :30 9: :15 9: :25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στις αίθουσες (Ζώνες 5,8,11) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8: :30 9:15 1 9:15 9: :25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στο διάδρομο (Ζώνη 2) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8: :30 9:15 0 9:15 9:25 1 9:25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 ΕΚΣΔ -209-

220 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παρουσία ατόμων στη βιβλιοθήκη (Ζώνη 4) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8: :30 9:15 0 9:15 9: :25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στην αίθουσα ξένων γλωσσών (Ζώνη 9) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8:30 0 8:30 9:15 0 9:15 9:25 0 9:25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στην αίθουσα Η/Υ (Ζώνη 10) Από Έως Συντελεστής 0:00 8:00 0 8:00 8:30 0 8:30 9:15 0 9:15 9:25 0 9:25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Παρουσία ατόμων στο κυλικείο Από Έως Συντελεστής 0:00 8:30 0 8:30 13: :30 0:00 0 ΕΚΣΔ -210-

221 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παρουσία ατόμων σε WC/Αποδυτήρια (Ζώνη1) Από Έως Άτομα 0:00 8:00 0 8:00 8:30 7 8:30 9:15 0 9:15 9: :25 9:55 0 9:55 10: :10 10: :20 10: :50 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :30 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0:00 0 Λειτουργία συσκευών (κυλικείο) Από Έως Συντελεστής 0:00 8: :00 8: :30 9: :15 9:25 1 9:25 10: :10 10: :20 11: :05 11: :10 11: :55 12: :00 12: :40 12: :45 13: :25 13: :30 14: :05 14: :30 0: ΕΚΣΔ -211-

222 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Ζ: Τεχνικά δεδομένα ενεργειακής απόδοσης της αντλίας θερμότητας Όπου: EST: Θερμοκρασία εισόδου ρευστού στον εξατμιστήρα ELT: Θερμοκρασία εισόδου ρευστού στον συμπυκνωτή ΕΚΣΔ -212-

223 Κεφ. 9: Παραρτήματα LLT: Θερμοκρασία εξόδου του ρευστού από το συμπυκνωτή HC: Θερμική απόδοση Power: Απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς HE: Απορροφούμενη θερμική ισχύς από τον εξατμιστήρα COP: Βαθμός συμπεριφοράς LST: Θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστήρα ΕΚΣΔ -213-

224 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Η: Τεχνικά δεδομένα απόδοσης ηλιακών συλλεκτών ΕΚΣΔ -214-

225 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Θ: Όψεις του κτιρίου Εικόνα Θ.1 Κάτοψη ορόφου. ΕΚΣΔ -215-

226 Κεφ. 9: Παραρτήματα Εικόνα Θ.2 Όψεις κτιρίου. ΕΚΣΔ -216-

227 Κεφ. 9: Παραρτήματα Παράρτημα Ι: Θερμικές ιδιότητες των σωληνώσεων και της μόνωσής τους Πίνακας Ι.1 Θερμικές ιδιότητες των υπόγειων σωληνώσεων. Πίνακας Ι.2 Ιδιότητες μόνωσης σωληνώσεων. ΕΚΣΔ -217-