AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ KAI ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΤΛΙΑΣ ΘΕΡMΟΤΗΤΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΞΕΝΟΔΟΧΕΙΟ «ΣΑΝΗ» ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ ΓΑΪΤΑΝΕΛΗΣ Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2012

2 Περίληψη Στη διπλωματική μας εργασία ασχολούμαστε με τη λειτουργία των ξενοδοχειακών μονάδων. Εξετάζουμε υπό ποιες προϋποθέσεις μπορεί να αποδειχθεί φιλική προς το περιβάλλον, προσδίδοντας ένα «πράσινο» χαρακτήρα σ αυτές. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται λύσεις, οι οποίες μπορούν να επιδράσουν στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, εξασφαλίζοντας, παράλληλα, ένα λειτουργικό και υψηλής ποιότητας περιβάλλον διαμονής στα ξενοδοχεία. Η εξοικονόμηση ενέργειας εντοπίζεται κυρίως σε εφαρμογές μείωσης των καταναλώσεων για θέρμανση, ψύξη και παροχή ζεστού νερού χρήσης. Σημαντικό κομμάτι στην επίτευξη των στόχων αυτών αποτελεί η εκμετάλλευση της γεωθερμίας και πιο συγκεκριμένα της αβαθούς γεωθερμίας. Ο τρόπος εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, οι οποίες καταναλώνοντας χαμηλά ποσά ενέργειας, σε σχέση με τα αποδιδόμενα (υψηλός βαθμός απόδοσης λειτουργίας), προσφέρουν τα απαραίτητα θερμικά, για θέρμανση και παροχή ζεστού νερού χρήσης, και ψυκτικά φορτία. Ως ξενοδοχειακή μονάδα μελέτης και βελτίωσης της ενεργειακής της λειτουργίας χρησιμοποιείται το ξενοδοχειακό συγκρότημα ΣΑΝΗ στη Χαλκιδική. Στο κεντρικό ξενοδοχείο του συγκροτήματος αναλύεται η υπάρχουσα κατάσταση της ψυκτικής του λειτουργίας και προτείνονται λύσεις βελτίωσής της. Οι λύσεις αυτές αξιοποιούν την αβαθή γεωθερμία μέσω της λειτουργίας γεωθερμικού εναλλάκτη υφάλμυρου νερού και της χρήσης γεωθερμικής αντλίας θερμότητας. Η τεχνική, οικονομική και περιβαλλοντική αποτίμηση των λύσεων αυτών μας οδηγεί στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για τη βιωσιμότητά τους. i

3 Abstract In this post-graduate thesis, we are dealing with the operation of the hotel units and, especially, under which circumstances that can be proved environmentally friendly, giving a green character to those. More specifically, it is investigated which methods can lead to the reduction of the energy consumption, without affecting the quality of services. That can be achieved mainly through improvements to heating, cooling and hot water supply systems. Such improvements can be achieved by using geothermal heat pumps, both for cooling and heating purposes, due to the fact that they consume a small amount of energy, considering the amount of energy that provide (coefficient of performance larger than 1). The resort SANI in Chalkidiki, Greece, is used as a case study, in order to improve its operation. The current situation of cooling in the Central Hotel of the resort is presented and then alternative solutions are suggested. Those methods are based on shallow geothermic system, using a thermal exchanger of brackish water and a geothermal heat pump. The technical, economical and environmental evaluation of those methods leads us to important conclusions regarding their sustainability and financial performance. ii

4 Πρόλογος Η παρούσα Διπλωματική εργασία αποτελεί την τελική εργασία για την επιτυχή αποφοίτηση μου από το διατμηματικό Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα με τίτλο «Προστασία Περιβάλλοντος κα Βιώσιμη Ανάπτυξη» του Τμήματος των Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το αντικέιμενο μελέτης προέκυψε κατόπιν συζήτησης και συνεννόησης με τον Καθηγητή του Τμήματος των Πολιτικών Μηχανικών κ. Κωνσταντίνο Κατσιφαράκη. Ο βασικός λόγος που με ώθησε στην ενασχόληση μου με αυτό το θέμα αποτελεί το γενικότερο μεγάλο μου ενδιαφέρον προς την μελέτη και εμβάθυνση των μεθόδων εξοικονόμησης ενέργειας στον Κτιριακό τομέα. Αν μπορούσα, μάλιστα, να ποσοστικοποιήσω τα ενδιαφέροντα μου στο τομέα της Ενεργειακής Κατανάλωσης των Κτιρίων, θα έλεγα ότι το βασικότερο και κύριο μέρος ανήκει στην εφαρμογή μεθόδων παροχής ψύξης με μηδαμινή ή ελάχιστα καταναλισκόμενη ενέργεια. Φυσικά, η κλίση μου προς αυτόν τον τομέα προήλθε από μια σωρεία ερεθισμάτων, που βασικότερο όλων αποτελεί η συμμετοχή και παρακολούθηση του εβδομαδιαίου σεμιναρίου και εργαστηρίου με θέμα «Βιοκλιματικός Σχεδιασμός και Αποκατάσταση Κτιρίων» που οργάνωσε ο Σύλλογος Αρχιτεκτόνων Διπλωματούχων Ανωτάτων Σχολών (ΣΑΔΑΣ) στην Άλλη Μεριά στο Βόλο. Το σεμινάριο αυτό μου έδωσε την ευκαιρία να έρθω για πρώτη φορά σε επαφή με το αντικείμενο αυτό και να αντιληφθώ τις ιδιαιτερότητες του. Ιδιατερότητες, οι οποίες, κατά την προσωπική μου γνώμη, μεταφράζονται σε έναν αρκετά έντονο δημιουργικό χαρακτήρα που παρέχει στο μελετητή η ενασχόληση του με το αντικείμενο αυτό και σε μια έντονη δυνατότητα προσφοράς στο ευρύτερο κοινωνικό σύνολο. Για τους παραπάνω λόγους, λοιπόν, ήθελα από καιρό να ασχοληθώ, αποκτώντας περισσότερες γνώσεις και ιδέες, με την «κτιριακή εξοικονόμηση». Η εργασία αυτή αποτελεί το πρώτο βήμα και στο κομμάτι αυτό θέλω να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Κατσιφαράκη που μου έδωσε την ευκαιρία και τις καίριες κατευθύνσεις του για να εκπονήσω αυτή την εργασία. Τέλος, θέλω να επισημάνω την πολύτιμη προσφορά του Καθηγητή του Τμήματος των Μηχανολόγων Μηχανικών κ. Άγι Παπαδόπουλο, τον οποίο και ευχαριστώ για την βοήθεια που μου παρείχε. iii

5 Περιεχόμενα Περίληψη Abstract Πρόλογος i i i i i i 1 Εισαγωγή 1 2 «Πράσινα» ξενοδοχεία και εξοικονόμηση ενέργειας Εισαγωγή Οικολογικές βραβεύσεις και επιδοτήσεις ξενοδοχείων Βραβεύσεις ελληνικών ξενοδοχείων Έργα εξοικονόμησης ενέργειας Γεωθερμία Εισαγωγή Γενικά Ιστορική αναδρομή Γεωθερμική ροή Γεωθερμικά συστήματα Χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας Εισαγωγή Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Άμεσες χρήσεις Αβαθής γεωθερμία Εισαγωγή Τρόποι εκμετάλλευσης Παράδειγμα από τον Ελληνικό χώρο Γεωθερμική Αντλία Θερμότητας Εισαγωγή Βασικές αρχές λειτουργίας Λειτουργία αντλίας θερμότητας Συντελεστής απόδοσης Καταστάσεις ψυκτικού σώματος Κύριοι τύποι αντλιών θερμότητας iv

6 3.4.7 Μέσο μεταφοράς της θερμότητας στις αντλίες θερμότητας Είδη συμπιεστών στις αντλίες θερμότητας Εκτίμηση απόδοσης Οικονομικά πλεονεκτήματα Περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα Ξενοδοχειακό συγκρότημα ΣΑΝΗ στη Χαλκιδική Γενικά στοιχεία Υφιστάμενη κατάσταση Μετρήσεις ψυκτικών καταναλώσεων αντλιών θερμότητας Κεντρικού ξενοδοχείου Μετρήσεις αποδόσεων ψυκτικών μηχανημάτων Παρουσίαση εναλλακτικών σεναρίων ψύξης Εισαγωγή Δομή συστήματος κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη ανοικτού κυκλώματος Δομή συστήματος οριζόντιου γεωθερμικού εναλλάκτη ανοικτού κυκλώματος Λειτουργία συστημάτων γεωθερμικού εναλλάκτη Επιλογή του κατάλληλου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Ανάλυση κόστους-οφέλους του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Περιβαλλοντική απόδοση του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Συμπεράσματα 89 Βιβλιογραφία 92 Παράρτημα Α: Πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας 95 Παράρτημα Β: Ονομαστικά χαρακτηριστικά και σχέδια τύπου πλακοειδούς εναλλάκτη θερμότητας και υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας 97 v

7 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η σύγχρονη τεχνολογική εποχή χαρακτηρίζεται από ένα ιδιαίτερα έντονο ενδιαφέρον για εξοικονόμηση αλλά και αποτελεσματικότερη διαχείριση της ενέργειας σε όλα τα πεδία εφαρμογών της. Ο στόχος αυτός αντικατοπτρίζεται τόσο στις πολιτικές των κυβερνήσεων, οι οποίες προωθούν οικονομικά κίνητρα προς την κατεύθυνση αυτή, όσο και στις προσπάθεις και τις ερευνητικές δραστηριότητες των επιστημόνων, που προσπαθούν για την επίτευξη ενός συστήματος με ολοένα και λιγότερες απώλειες. Τις τελευταίες δεκαετίες η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί το πρώτο και σημαντικότερο μέρος μιας σωστής ενεργειακής πολιτικής. Η εξοικονόμηση της ενέργειας μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη και τη βιωσιμότητα των βιομηχανιών αλλά και στη μείωση των λειτουργικών δαπανών του δημόσιου και ιδιωτικού τομέα. Πέραν, λοιπόν, των οποιονδήποτε σκοπιμοτήτων και συμφερόντων, είναι πλέον επιτακτική η ανάγκη για ανάπτυξη της ανθρωπότητας κάτω από τις αρχές της βιωσιμότητας. Ήδη υπάρχουν αρκετές εφαρμογές και μελέτες, που δείχνουν ότι η βιώσιμη ανάπτυξη μπορεί να εξασφαλίσει την οικονομική πρόοδο, διατηρώντας και προστατεύοντας παράλληλα το κοινωνικό και φυσικό περιβάλλον. Πρακτικές εξοικονόμησης ενέργειας έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται και να προωθούνται ευρέως στον κτιριακό τομέα, μειώνοντας τις ενεργειακές καταναλώσεις των δημόσιων κτιρίων, των ιδιωτικών κατοικιών, αλλά και των ξενοδοχειακών μονάδων. Για τις ξενοδοχειακές μονάδες, μάλιστα, αποτελεί ένα επιπλέον κίνητρο η δυνατότητα αναβάθμισης των υπηρεσιών τους, λόγω της σημαντικής μείωσης του λειτουργικού τους κόστους. Είναι χαρακτηριστικό ότι μεγάλοι ξενοδοχειακοί όμιλοι στην Ελλάδα επενδύουν πλέον συστηματικά σε τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας είτε με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών (ΑΠΕ), είτε με τη χρήση σύγχρονων τεχνολογιών και εξοπλισμού. Μέρος τέτοιων τεχνολογιών αποτελούν εφαρμογές, οι οποίες αποσκοπούν στη μείωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης για θέρμανση και ψύξη των ξενοδοχειακών μονάδων. Στο πλαίσιο των εφαρμογών αυτών, η Γεωθερμία και πιο συγκεκριμένα, η αβαθής Γεωθερμία, παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο, δίνοντας το κίνητρο στους μελετητές και ερευνητές να σχεδιάζουν και να υλοποιούν τεχνολογίες, οι οποίες αξιοποιούν την ενέργεια αυτή προς όφελος των μονάδων. 1

8 Ένα κλασικό παράδειγμα τέτοιων εφαρμογών αποτελούν οι Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας, η τεχνολογία των οποίων επιτρέπει τη θέρμανση, την ψύξη αλλά και την παροχή ζεστού νερού χρήσης στα κτίρια, καταναλώνοντας αρκετά μικρή ηλεκτρική ενέργεια σε σχέση με την αποδιδόμενη θερμική. Δεδομένης, μάλιστα, της ολοένα αυξανόμενης τιμής των συμβατικών καυσίμων, οι τεχνολογίες αυτές στέκονται πλέον ανταγωνιστικά στην αγορά, κερδίζοντας συνεχώς έδαφος με το πέρασμα του χρόνου. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματοποιείται μια περαιτέρω ανάλυση της αξιοποίησης της αβαθούς Γεωθερμίας μέσω της λειτουργίας των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας και των οφελών που αυτές μπορούν να προσφέρουν στη λειτουργία των ξενοδοχειακών μονάδων, συμμετέχοντας σε μια «πράσινη» λειτουργία τους. Η ανάλυση και η κατανόηση της χρήσης των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας μας επιτρέπει τη δυνατότητα εφαρμογής τέτοιων λύσεων σε υπάρχουσες και νεόδμητες ξενοδοχειακές μονάδες. Στο πλαίσιο αυτό, μελετήσαμε και αξιολογήσαμε την υπάρχουσα κατάσταση λειτουργίας για ψύξη του Κεντρικού Ξενοδοχείου ΣΑΝΗ στη Χαλκιδική, προτείνοντας νέες λύσεις για την ψύξη του ξενοδοχείου, οι οποίες θα βοηθήσουν στην αποδοτικότερη λειτουργία του και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Αξίζει να σημειωθεί, παράλληλα, ότι η ορθή ενεργειακή διαχείριση διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των περιβαλλοντικών δεικτών που αναφέρονται στην κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας, των καύσιμων υλών και του νερού. Πέραν, λοιπόν, των όποιων άμεσων ή έμμεσων οικονομικών οφελών των ξενοδοχειακών μονάδων για την εγκατάσταση και χρήση τέτοιων τεχνολογιών, πρέπει να τονίσουμε τη σημαντική τους συνεισφορά στη μείωση της περιβαλλοντικής υποβάθμισης. Αυτό προάγουν, άλλωστε, οι αρχές τις βιωσιμότητας και υπό αυτή τη βάση πρέπει εν καιρώ η νοοτροπία της κοινωνίας να πορεύεται. 2

9 Κεφάλαιο 2 «Πράσινα» ξενοδοχεία και εξοικονόμηση ενέργειας 2.1 Εισαγωγή Η συμβολή της τουριστικής οικονομίας στο Α.Ε.Π. της χώρας κατά το έτος 2010 φτάνει το 15,3%, ενώ ο συνολικός αριθμός των εργαζομένων στον τομέα αυτό αντιστοιχεί στο 17,9% των συνολικά απασχολούμενων [Σύνδεσμος Ελληνικών Τουριστικών Επιχείρησεων, 2010]. Συγκρινόμενος σε παγκόσμιο επίπεδο, ο ελληνικός τουρισμός κρίνεται ιδιαιτέρως ικανοποιητικός, λαμβανομένης υπόψιν της οικονομικής κρίσης που καθιστά αναγκαία την εισροή ξένου κεφαλαίου στη χώρα μας. Σύμφωνα με τα στοιχεία του Παγκόσμιου Οργανισμού Τουρισμού, η Ελλάδα ήταν το 2010, 17η στην κατάταξη σε επίπεδο διεθνών αφίξεων και 21η σε επίπεδο εσόδων. Τα στοιχεία αυτά δείχνουν πως ο τομέας του τουρισμού είναι ένας από τους ελάχιστους τομείς της εθνικής οικονομιάς, ο οποίος είναι ανταγωνιστικός σε παγκόσμιο επίπεδο. Αξίζει, λοιπόν, να γίνουν περιβαλλοντικές επενδύσεις σ' αυτό τον τομέα, μιας και το περιβάλλον αποτελεί κύριο πόλο έλξης των τουριστών και παράλληλα ευνοεί την οικονομική ανάπτυξη της χώρας. Από τη στιγμή, μάλιστα, που ο τουρισμός βασίζεται στο φυσικό περιβάλλον και την πολιτιστική κληρονομιά πρέπει να δοθεί έμφαση στη μείωση των αρνητικών για το περιβάλλον επιπτώσεων που προκαλούνται από την έντονη ανάπτυξη του ίδιου του τουρισμού. Η τουριστική ανάπτυξη πρέπει να συμβάλει στην εξοικονόμηση των φυσικών πόρων και την προστασία της φύσης από τα οποία εξαρτάται άμεσα, συμβάλλοντας παράλληλα στην ευημερία των τοπικών πληθυσμών και την ενίσχυση των τοπικών προϊόντων. Το μέλλον του τουρισμού βρίσκεται στα «πράσινα» ξενοδοχεία και γενικότερα στην πράσινη επιχειρηματικότητα, πόσο μάλλον όταν αυτή κρίνεται αναγκαία για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλάγης. Πέραν αυτών, όμως, η πράσινη επιχειρηματικότητα προσφέρει μακροπρόθεσμα οικονομικά οφέλη στους επενδυτές, ικανοποιώντας παράλληλα την αυξανόμενη ζήτηση της αγοράς σε πράσινα προϊόντα. Τα «πράσινα» ξενοδοχεία έχουν ως βασική προτεραιότητα την εξοικονόμηση ενέργειας, την εξοικονόμηση νερού και την ανακύκλωση των φυσικών πόρων. Παράλληλα, εξοικονομούν χρήματα στον ιδιοκτήτη και προωθούν την περιβαλλοντική συνείδηση, τόσο στο προσωπικό όσο και στους φιλοξενούμενους [Ρεϊζάκη, 2010]. 3

10 Όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας, αυτή μπορεί να επιτευχθεί, γενικώς, μέσω του βιοκλιματικού σχεδιασμού, χρήσης ηλεκρικών συσκευών με υψηλή ενεργειακή απόδοση, βελτίωσης της λειτουργίας των κλιματιστικών και των καυστήρων, καθώς και άλλων πρακτικών εφαρμογών και τροποποιήσεωνβελτιώσεων των υπαρχόντων. Αξίζει να αναφερθεί ότι τα «πράσινα» ξενοδοχεία αποτελούν πόλο έλξης για πολλούς τουρίστες με περιβαλλοντική συνείδηση. Πιο συγκεκριμένα, το 21% των Βρετανών τουριστών επιθυμούν να ακολουθούν πιο «πράσινες» πρακτικές για τις διακοπές τους, ενώ ποσοστό 34% επί συνόλου που ρωτήθηκαν στο πλαίσιο έρευνας του trip advisor ανέφεραν πως θα κινηθούν προς αυτή την κατεύθυνση. Το 80% των Γερμανών τουριστών δηλώνουν ότι τα υψηλά περιβαλλοντικά πρότυπα παίζουν σημαντικό ή πολύ σημαντικό ρόλο όταν σχεδιάζουν τις διακοπές τους, ενώ το 1/3 των Αμερικανών υποστηρίζει ότι είναι πρόθυμοι να πληρώσουν παραπάνω, αρκεί το ταξίδι και η διαμονή τους να είναι πιο φιλικά προς το περιβάλλον [44]. Βασικός κινητήριος μοχλός για τα «πράσινα» ξενοδοχεία είναι η εταιρική κοινωνική ευθύνη, δηλαδή η οικειοθελής δέσμευση των επιχειρήσεων για ένταξη στις επιχειρηματικές τους πρακτικές, κοινωνικών και περιβαλλοντικών δράσεων, που είναι πέρα και πάνω από όσα επιβάλλονται από τις νομοθετικές διατάξεις και έχουν σχέση με όλους όσους επηρεάζονται από τις δραστηριότητές τους. Εκφράζεται με προγράμματα, πρωτοβουλίες και καθημερινές πρακτικές, με κοινό παρονομαστή, κοινωνικής και περιβαλλοντικής ευθύνης, τη μείωση, την επαναχρησιμοποίηση και την ανακύκλωση φυσικών, υδατικών πόρων και ενέργειας [Ρεϊζάκη, 2010]. 2.2 Οικολογικές βραβεύσεις και επιδοτήσεις ξενοδοχείων Το Ευρωπαϊκό Οικολογικό Σήμα (EU ecolabel) είναι ένα σύστημα πιστοποίησης που δημιουργήθηκε το 1992 για την υποστήριξη της αγοράς προϊόντων και υπηρεσιών φιλικών προς το περιβάλλον. Τα προϊόντα και οι υπηρεσίες που πιστοποιούνται με το Οικολογικό Ευρωπαϊκό σήμα φέρουν ως λογότυπο το λουλούδι και επιτρέπουν στους καταναλωτές να εντοπίζουν με ευκολία και να εμπιστεύονται μια ευρεία γκάμα προϊόντων και υπηρεσιών, που διακρίνονται για τις περιορισμένες περιβαλλοντικές επιπτώσεις κατά τον κύκλο ζωής τους και πληρούν υψηλά κριτήρια περιβαλλοντικής επίδοσης και ποιότητας σε τομείς κατανάλωσης ενέργειας και νερού [35]. 4

11 Εικόνα 2.1: Οικολογικό Ευρωπαϊκό Σήμα Τα οφέλη του οικολογικού σήματος είναι σημαντικά αφού η απόκτηση του σήματος συνεπάγεται τον χαρακτηρισμό κάθε ξενοδοχειακής επιχείρησης που το λαμβάνει ως τουριστικής εγκατάστασης που στοχεύει στην υψηλή ποιότητα των υπηρεσιών της. Επίσης, κερδίζουν το πλεονέκτημα αναγνώρισης των συγκεκριμένων ξενοδοχείων, έναντι των λοιπών αφού όλο και μεγαλύτερο ποσοστό τουριστών είναι περιβαλλοντικά συνειδητοποιημένοι και απαιτούν συχνά περιβαλλοντική πιστοποίηση. Τέλος, όφελος είναι και η δωρεάν διαφήμιση στην επίσημη ιστοσελίδα της Ε.Ε. στο Green Store του European Ecolabel όπου περιλαμβάνονται όλες οι εταιρίες και τα προϊόντα που τους έχει απονεμηθεί το οικολογικό σήμα και που έχουν πρόσβαση όλοι οι πολίτες της Ε.Ε. μέσω διαδικτύου. Ένα άλλο πρόγραμμα που απονέμει σήμα οικολογικής ποιότητας είναι το διεθνές πρόγραμμα Green Key. Το πρόγραμμα αυτό ενεργεί ως ερέθισμα για τη μετατροπή κάθε τουριστικής μονάδας σε «πράσινη». Αποτελεί ένα σημαντικό θεσμό στο ζωτικό χώρο της βιομηχανίας του τουρισμού, αφού ευαισθητοποιεί και προτρέπει για την υιοθέτηση πρακτικών, φιλικών προς το περιβάλλον, που εγγυώνται την προστασία του και προάγουν την αειφορία. Εικόνα 2.2: σήμα οικολογικής ποιότητας (Green Key) 5

12 Το πρόγραμμα Green Key συντονίζεται από το διεθνές Ίδρυμα Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης (Fee-Foundation For The Environmental Education) και λειτουργεί σε 17 χώρες παγκοσμίως. Εθνικός χειριστής του προγράμματος είναι η περιβαλλοντική και μη κυβερνητική οργάνωση πανελλήνιας εμβέλειας, Ελληνική εταιρία προστασίας της φύσης, η οποία κάνει πράξη από το 1951 την ηθική δέσμευση της που αφορά στη διαφύλαξη και προστασία του περιβάλλοντος, αλλά και στη διαμόρφωση ισχυρής περιβαλλοντικής συνείδησης. Τα κριτήρια της εθνικής επιτροπής κρίσεων, η οποία βραβεύει κάθε χρόνο ξενοδοχειακές μονάδες με το Green Key, εστιάζουν στην περιβαλλοντική διαχείριση της τουριστικής μονάδας και στην περιβαλλοντική εκπαίδευση που οργανώνεται για τους επισκέπτες, το προσωπικό, τους προμηθευτές και τους συνεργάτες της μονάδας. Καλύπτουν τομείς που σχετίζονται με την κατανάλωση ενέργειας και νερού, τη διαχείριση των απορριμμάτων, τη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον προϊόντων προσωπικής καθαριότητας και απορρυπαντικών, την ποιότητα της τροφής και των ποτών, τη μετατροπή των ελεύθερων χώρων σε χώρους πρασίνου και επιπλέον της περιβαλλοντικής εκπαίδευσης [31]. Η βράβευση πραγματοποιείται κάθε χρόνο για εκείνες τις μονάδες που ικανοποιούν τα κριτήρια του Προγράμματος και έχει ισχύ για ένα ημερολογιακό έτος. Τα «πράσινα» ξενοδοχεία στην Ελλάδα επιδοτούνται μέσω προγραμμάτων της ευρωππαϊκής ένωσης, πράγμα που δίνει ώθηση και αποτελεί παράλληλα επιπλέον κίνητρο για τη στροφή προς μια πιο περιβαλλοντική κατεύθυνση. Το 2010 το υπουργείο Πολιτισμού και Τουρισμού ανακοίνωσε για τα ξενοδοχεία την έναρξη του προγράμματος «Πράσινος Τουρισμός», που επιδοτείται μέσω του ΕΣΠΑ [26]. 2.3 Βραβεύσεις ελληνικών ξενοδοχείων Το 2009 βραβεύτηκαν με το Green Key 52 ελληνικές ξενοδοχειακές επιχειρήσεις εκ των οποίων οι 15 βρίσκονται στην ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας, 25 στην Κρήτη, 3 στην ευρύτερη περιοχή της Επτανήσου, 3 στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας, 1 στην ευρύτερη περιοχή της Πελοποννήσου, 2 στην ευρύτερη περιοχή της Δωδεκανήσου, 1 στην ευρύτερη περιοχή των Κυκλάδων, 1 στην Εύβοια και 1 στην ευρύτερη περιοχή της Αττικής. Το 2010 βραβεύτηκαν 89 ελληνικές ξενοδοχειακές επιχειρήσεις εκ των οποίων οι 13 βρίσκονται στην ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας, 1 στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας, 47 στην Κρήτη, 8 στην ευρύτερη περιοχή της Επτανήσου, 2 στην ευρύτερη περιοχή της Ηπείρου, 2 στην ευρύτερη περιοχή της Μαγνησίας, 5 στην 6

13 ευρύτερη περιοχή της Πελοποννήσου, 4 στην ευρύτερη περιοχή της Αττικής, 5 στην ευρύτερη περιοχή των Κυκλάδων και 2 στην ευρύτερη περιοχή της Δωδεκαννήσου. Το 2011 βραβεύτηκαν 108 ελληνικές ξενοδοχειακές επιχειρήσεις εκ των οποίων οι 15 βρίσκονται στην ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας, 5 στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας, 47 στην Κρήτη, 16 στην ευρύτερη περιοχή της Επτανήσου, 3 στην ευρύτερη περιοχή της Ηπείρου, 6 στην ευρύτερη περιοχή της Πελοποννήσου, 7 στην ευρύτερη περιοχή της Αττικής, 5 στην ευρύτερη περιοχή των Κυκλάδων και 4 στην ευρύτερη περιοχή της Δωδεκανήσου. Τέλος, το 2012 βραβεύτηκαν 125 ελληνικές ξενοδοχειακές επιχειρήσεις εκ των οποίων οι 19 στην ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας, 3 στην ευρύτερη περιοχή της Ηπείρου, 3 στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας, 17 στην ευρύτερη περιοχή της Επτανήσου, 6 στην ευρύτερη περιοχή της Πελοποννήσου, 9 στην ευρύτερη περιοχή της Αττικής, 6 στην ευρύτερη περιοχή των Κυκλάδων, 7 στην ευρύτερη περιοχή της Δωδεκανήσου και 55 στην Κρήτη [31]. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι υπάρχει μια αύξηση των «πράσινων» ξενοδοχείων με το πέρασμα των τελευταίων ετών. Παρ όλα αυτά, αν λάβουμε υπ όψιν ότι ο συνολικός αριθμός των εγγεγραμμένων ελληνικών ξενοδοχείων είναι περίπου (NSSG/HCH ), καταλαβαίνουμε ότι το ποσοστό των οικολογικών πρακτικών στις ξενοδοχειακές μονάδες είναι πολύ μικρό. Τα οφέλη για τα ξενοδοχεία που βραβεύονται είναι ότι: Αποκτούν ένα επιπρόσθετο «εργαλείο marketing», το οποίο μπορεί να συμβάλει καταλυτικά στην προσέγγιση πελατών με υψηλή περιβαλλοντική ευαισθησία Εφαρμόζουν ένα ιδιαίτερα αξιόπιστο «εργαλείο μείωσης κόστους» που μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην προσπάθεια για ενίσχυση της ανταγωνιστικότητάς τους Αποκτούν χρήσιμες πληροφορίες και γνώσεις και ενσωματώνουν στη λειτουργία τους τις πλέον σύγχρονες αρχές για την προστασία του περιβάλλοντος και τη βιώσιμη ανάπτυξη Το βασικό εμπόδιο στην εδραίωση πράσινων πρακτικών στις ξενοδοχειακές μονάδες είναι οι επενδύσεις και η συγκέντρωση της οικονομίας στους ρυπογόνους τομείς, πράγμα που λειτουργεί συντεχνιακά και αποτρεπτικά για άλλου είδους επενδύσεις. Άλλα συνήθη εμπόδια είναι η λογική του εύκολου κέρδους, που δεν υπολογίζει το κόστος της προστασίας του οικοσυστήματος, η άγνοια των προτερημάτων που προσφέρουν οι πράσινες τεχνολογίες, τα γραφειοκρατικά 7

14 εμπόδια για την εισαγωγή νέων τεχνολογιών, καθώς και η αδυναμία προσαρμογής στη νέα οργανωτική κουλτούρα [Ρεϊζάκη, 2010]. 2.4 Έργα εξοικονόμησης ενέργειας Η εξέλιξη της τεχνολογίας και το υψηλό κόστος ενέργειας έχουν καταστήσει πλέον ιδιαίτερα ανταγωνιστικές επενδύσεις που εντοπίζονται στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας σε ξενοδοχειακές μονάδες. Μια δόκιμη μελέτη και χρήση σύγχρονου αξιόπιστου εξοπλισμού μπορεί να διασφαλίζει την απρόσκοπτη πολυετή λειτουργία συστημάτων εξοικονόμησης με ελάχιστο κόστος συντήρησης και δυνατότητα σύντομης απόσβεσης. Το κέρδος, μάλιστα, από την εξοικονόμηση παρέχει μια εξαιρετική ευκαιρία για ξενοδοχειακές μονάδες να αναβαθμίσουν τις υπηρεσίες τους με σημαντική μείωση του λειτουργικού τους κόστους. Μεγάλοι ξενοδοχειακοί όμιλοι στην Ελλάδα επενδύουν πλέον συστηματικά σε τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας είτε με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών (ΑΠΕ), είτε με τη χρήση σύγχρονων τεχνολογιών και εξοπλισμού. Με τα σημερινά δεδομένα του κόστους ενέργειας, που σύμφωνα με επιστημονκές μελέτες αναμένεται να επιδεινωθούν μέσα στα επόμενα χρόνια, οι επενδύσεις αυτές θα έχουν καθοριστική σημασία στη διαμόρφωση της ανταγωνιστικότητας μιας ξενοδοχειακής μονάδας και έχουν ήδη εφαρμοστεί ευρύτατα σε ξενοδοχειακούς ομίλους στην Ελλάδα και το εξωτερικό με ιδιαίτερη επιτυχία. Οι μεγαλύτερες ενεργειακές καταναλώσεις σε ένα ξενοδοχείο με βάση το οικονομικό κόστος κατά σειρά μεγέθους είναι [Υφαντής, 2006]: Παραγωγή θερμού νερού Κλιματισμός Κολυμβητικές δεξαμενές Φωτισμός εστιατορίων και κοινόχρηστων χώρων Βιολογικός καθαρισμός Σημαντικότατο, επίσης, κόστος συντήρησης ενεργειακού εξοπλισμού προκύπτει από την κακή ποιότητα του νερού που καταστρέφει εναλλάκτες και δίκτυα (καθαλατώσεις, διάβρωση) και μειώνει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση των εγκατεστημένων συστημάτων. Την τελευταία δεκαετία, με αυξανόμενο ρυθμό έχουν εφαρμοστεί σε ευρεία κλίμακα μια σειρά από τεχνολογίες με σημαντικότατα οικονομικά τεχνικά οφέλη που μειώνουν το κόσοτος και αναβαθμίζουν την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Μερικές από τις εφαρμογές αυτές είναι [Ρεϊζάκη, 2010]: Κεντρικά ενεργητικά ηλιακά συστήματα 8

15 Κλιματισμός ψύξη/θέρμανση με τη χρήση γεωτρήσεων, κολυμβητικών δεξαμενών ή θαλασσινού νερού Παραγωγή θερμού νερού ή θέρμανση με χρήση γεωτρήσεων Ανάκτηση θερμότητας από ψυκτικές μονάδες Εγκατάσταση μονάδας αφαλάτωσης με συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας Κεντρικά ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου μηχανολογικού εξοπλισμού (BMS) Λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας Σύμφωνα, μάλιστα, με στατιστικές μελέτες σε ξενοδοχεία στα οποία ολοκληρώθηκαν έργα εξοικονόμισης ενέργειας εξήχθησαν τα εξής οικονομικά αποτελέσματα-οφέλη [Υφαντής, 2006]: εξοικονόμηση σε αέριο ή πετρέλαιο, 0,45ευρώ/διανυκτέρευση για παραγωγή θερμού νερού εξοικονόμηση σε ηλεκτρικό ρεύμα, 0,20ευρώ/διανυκτέρευση για κλιματισμό εξοικονόμη 0,10ευρώ/διανυκτέρευση για έλεγχο κολυμβητικών δεξαμενών και φωτισμό Ενδεικτικά, λοιπόν, για ένα ξενοδοχειακό συγκρότημα 600 κλίνων με διανυκτερεύσεις, το ετήσιο όφελος μόνο από το θερμό νερό και τον κλιματισμό μπορεί να ανέλθει στα ευρώ. Τα παραπάνω στατιστικά αποτελέσματα βασίστηκαν στο γεγονός ότι το κόστος αγοράς πετρελαίου κυμαινόταν στα 0,8ευρώ/λίτρο και το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας στα 0,08ευρώ/kWh. Τα οφέλη αυτά είναι τα ελάχιστα, καθώς συνδυασμένες τεχνολογίες, όπως ψύξη και θέρμανση με γεωτρήσεις, ανάκτηση ενέργειας από κλιματισμό κτλ., μπορούν να πολλαπλασιάσουν τα οφέλη, μειώνοντας ταυτόχρονα την αρχική επένδυση. Ο χρόνος ζωής τέτοιων πρακτικών (με τη χρήση των κατάλληλων εφαρμογών και εξοπλισμού) ανέρχεται σε 15 έτη κατ ελάχιστο. Στα πλαίσια τέτοιων επενδύσεων αναβαθμίζεται η υποδομή του ξενοδοχείου και μπορούν να επιλυθούν πολλά λειτουργικά προβλήματα. Ενδεικτικά με την ανακατασκευή του συστήματος παραγωγής θερμού νερού μπορούν να επιλυθούν επιπλέον προβλήματα όπως η κόκκινη απόχρωση του νερού από προϊόντα διάβρωσης, προβλήματα στην πίεση και θερμοκρασία του νερού κτλ. Αντίστοιχα στη ψύξη από γεωτρήσεις υπάρχει το σημαντικότατο πλεονέκτημα ότι η απόδοση δεν μεταβάλλεται με την άνοδο της εξωτερικής θερμοκρασίας. Η ψύξη είναι ιδιαίτερα ισχυρή ακόμη και σε συνθήκες καύσωνα επιλύοντας το σημαντικό πρόβλημα των αερόψυκτων μηχανημάτων που η απόδοση τους μειώνεται σημαντικά όταν υπάρχει και η μεγαλύτερη ανάγκη χρήσης τους (συνθήκες καύσωνα). 9

16 Στο επόμενο κεφάλαιο αναλύεται πως μπορεί η γεωθερμία και πιο συγκεκριμένα η αβαθής γεωθερμία, με τη χρήση των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, να συμβάλει στη ψύξη/θέρμανση των χώρων, μειώνοντας, παράλληλα, τις ενεργειακές απαιτήσεις, σε σχέση με τους συμβατικούς τρόπους. 10

17 Κεφάλαιο 3 Γεωθερμία 3.1 Εισαγωγή Γενικά Ο όρος γεωθερμία (Geothermics) αναφέρεται στη διεθνη βιβλιογραφία στον εφαρμοσμένο επιστημονικό κλάδο που περιλαμβάνει όλο το φάσμα της έρευνας, από τη μελέτη της γήινης ροής θερμότητας, τις συνθήκες κατανομής των θερμοκρασιών στο υπέδαφος, το μηχανισμό της κυκλοφορίας των υπόγειων θερμών ρευστών σε συνδυασμό με τις γεωλογικές συνθήκες, καθώς και τα φυσικο-χημικά χαρακτηριστικά τους, μέχρι τον εντοπισμό και την αξιολόγηση των γεωθερμικών πεδίων με κατάλληλες παραγωγικές γεωτρήσεις [Φύτικας, 2004]. Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια μορφή ενέργειας προερχόμενη από το εσωτερικό της γης. Εμπεριέχεται σε φυσικούς επιφανειακούς ή υπόγειους ατμούς, σε θερμά νερά ή σε μίγματα των παραπάνω και σε θερμά-άνυδρα πετρώματα. Για τους λόγους αυτούς, αποτελεί μια φυσική, ήπια και ως ένα σημαντικό βαθμό ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η εκμετάλευση της ενέργειας αυτής εξαρτάται, βέβαια, από διάφορες παραμέτρους. Ανάλογα με τις γεωλογικές συνθήκες και το θερμικό φορτίο, το οποίο παρέχουν, εξασφαλίζεται ένα αντίστοιχο οικονομικό αποτέλεσμα, από το οποίο εξαρτάται η εκμετάλευση τους. Για παράδειγμα, γεωθερμική ενέργεια περιέχεται και σε άνυδρα-θερμά πετρώματα σε μεγάλα βάθη, σε γεωπεπιεσμένους σχηματισμούς και σε λιωμένα πετρώματα (μάγματα), αλλά για το λόγο ότι η αξιοποίηση τους αποτελεί μια δύσκολή διεργασία, η εκμετάλευση τους κρίνεται μη συμφέρουσα με τα σημερινά τεχνικά και οικονομικά δεδομένα. Αντίθετα, η αξιοποίηση της αβαθούς γεωθερμιάς, από ρηχά ρευστά ή πετρώματα, αναπτύσσεται συνεχώς. Μερικές περιοχές της γης χαρακτηρίζονται από ασυνήθιστα υψηλές τιμές της θερμικής ροής, δηλαδή της μετάδοσης της θερμότητας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια. Αυτές οι περιοχές, γνωστές ως περιοχές με θετική θερμική ανωμαλία, υπερτερούν στη γεωθερμική έρευνα και αξιοποίηση της έναντι των άλλων. Παρ όλα αυτά, η τεχνολογική εξέλιξη, η αυξσνόμενη τιμή της ενέργειας, η ορατή προοπτική εξάντλησης των συμβατικών καυσίμων και η ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος καθιστούν ενδιαφέρουσα και συμφέρουσα την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας και σε περιοχές με μικρότερες θερμικές ανωμαλίες ή ακόμη και χωρίς καμία ανωμαλία. Αρκεί οι περιοχές αυτές να διαθέτουν αξιόλογες ποσότητες ρευστών σε μικρά σχετικά βάθη, μέχρι 3000m [Φύτικας, 2004]. 11

18 Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος που διαδραματίζει η Γεωθερμία αυξάνεται συνεχώς, αφού η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια ουσιαστικά ανεξάντλητη και οικονομική μορφή ενέργειας, με πολλές και χρήσιμες εφαρμογές, καθώς και με ήπιες ή σχεδόν μηδενικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η εγκατεστημένη ισχύς για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση γεωθερμικών πεδίων υψηλής θερμοκρασίας (>150 ο C) αυξήθηκε από 3887 MWe το 1980 στα 7974 MWe το 2000 και ξεπέρασε τα MWe το 2005 [Huttrer, 2001]. Ένας ανασταλτικός παράγοντας, βέβαια, στην εγκατάσταση μονάδων εκμετάλλευσης γεωθερμικής ενέργειας αποτελεί το γεγονός ότι τα γεωθερμικά ρευστά δεν είναι εφικτό να μεταφερθούν μακριά από τον τόπο παραγωγής τους. Δεδομένου αυτού επικρατεί μια αποθάρυνση των αναπτυγμένων χωρών να επενδύσουν σ αυτό τον τομέα. Οι επιφανειακές εκδηλώσεις θερμότητας και απελευθέρωσης γεωθερμικής ενέργειας της γης αποτελούν οι: υδροθερμικοί ή φρεατικοί κρατήρες θερμές πηγές (hot springs) θερμοπίδακες (geysers) ατμίδες (fumaroles) λεκάνες ιλύος (mud pools) θερμά εδάφη (hot grounds) Ένα συνηθισμένο γεωθερμικό πεδίο αποτελείται από τρία κύρια μέρη, μια πηγή θερμότητας, έναν ταμιευτήρα και τα ρευστά, τα οποία είναι οι φορείς της θερμότητας. Η πηγή θερμότητας μπορεί να είναι είτε μια μαγματική διείσδυση (με θερμοκρασίες ο C), η οποία έφθασε σε σχετικά μικρά βάθη (3-10 km), είτε η κανονική θερμική ροή της γης, που δημιουργεί όλο και θερμότερους σχηματισμούς όσο πηγαίνουμε στο βάθος. Ο ταμιευτήρας (reservoir) αποτελείται ουσιαστικά από ένα σύστημα θερμών διαπερατών πετρωμάτων, που επιτρέπουν την εύκολη κυκλοφορία ή τον εγκλωβισμό των κυκλοφορούντων ρευστών, τα οποία απάγουν θερμότητα. Τα γεωθερμικά ρευστά είναι νερά μετεωρικής ή επιφανειακής προέλευσης (και σπάνια μαγματικής), σε υγρή ή αέρια φάση και συχνά περιέχουν σημαντικές ποσότητες διαλυμένων στερεών ουσιών και αερίων. Η κατάσταση των γεωθερμικών ρευστών εξαρτάται προφανώς από την πίεση και τη θερμοκρασία τους [Φύτικας, 2004] Ιστορική αναδρομή Στη σύγχρονη εποχή, η πρώτη βιομηχανική αξιοποίηση της γεωθερμίας πραγματοποιήθηκε στο Larderello της Ιταλίας. Στο πεδίο αυτό, από τις αρχές του 19 ου αιώνα χρησιμοποιούνταν υπέρθερμος ατμός για την παραγωγή βορικού οξέος 12

19 (με εξάτμιση των υπέρθερμων ρευστών που περιείχαν σημαντικές ποσότητες του οξέος) και για τη θέρμανση κτιρίων. Εκεί, το 1904, έγινε η πρώτη πετυχημένη προσπάθεια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με τη χρήση των φυσικών ατμών που έβγαιναν με πίεση. Η πρώτη συστηματική αξιοποίηση των γεωθερμικών ρευστών για θέρμανση χώρων, θερμοκηπίων και κτιρίων ξεκίνησε στη δεκαετία του 1920 στην Ισλανδία. Μάλιστα, το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού της Ισλανδίας (και ολόκληρη η πόλη του Reykjavik) θερμαίνονται με γεωθερμικά ρευστά. Συγχρόνως, υπάρχουν ποικίλες άλλες εφαρμογές, όπως παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, θέρμανση θερμοκηπίων και πισινών (ονομαστή είναι η μεγάλη σε έκταση πισίνα Blue Lagoon στο Grindavik, η οποία θεωρείται ότι έχει και ιαματικές ιδιότητες), χρήση των νερών στην ιχθυοκαλλιέργεια, ξήρανση γης διατόμων κ.α. με συνολική εγκατεστημένη ισχύ θερμικών μονάδων 1826 MWt [Ragnarsson, 2010] και ηλεκτρικών μονάδων 575 MWe [International Geothermal Association, 2009]. Το παράδειγμα της Ισλανδίας μιμήθηκαν και πολλές άλλες χώρες της Ευρώπης, αλλά και της Ασίας και της Αμερικής. Ο αριθμός των χωρών που έχουν εμπλακεί ουσιαστικά στη γεωθερμική έρευνα και εκμετάλλευση για θερμικούς σκοπούς ξεπερνά τις 60, με συνολική εγκατεστημένη ισχύ MWt [International Geothermal Association, 2010]. Στην ηλεκτροπαραγωγή, εκτός από την Ιταλία, από το 1950 και μετά έχουν εμπλακεί κατά σειράν η Ν. Ζηλανδία, οι Η.Π.Α., η Ιαπωνία, το Μεξικό, οι Φιλιππίνες και αρκετές χώρες της Κεντρικής Αμερικής. Όσον αφορά στην Ευρώπη, υπάρχουν 37 «γεωθερμικά» ενεργές χώρες με εφαρμογές άμεσων χρήσεων και οχτώ χώρες εκ των 37 με γεωθερμική ηλεκτροπαραγωγή (Ιταλία, Ισλανδία, Γαλλία, Αυστρία, Πορτογαλία, Ρωσία, Τουρκία, Γερμανία), με εγκατεστημένη ισχύ 1635 MWe [International Geothermal Association, 2010] Παρ όλο, όμως, που το δυναμικό της γεωθερμικής ενέργειας είναι σημαντικό σε όλο τον κόσμο, υπάρχουν, όπως προαναφέρθηκε, αρκετοί περιορισμοί στην εκμετάλλευση του. Τέτοιοι περιορισμοί είναι συνήθως τεχνικής (διάβρωση, δημιουργία επικαθίσεων), περιβαλλοντικής (εκπομπές υδρόθειου), νομοθετικής και οικονομικής φύσεως. Οι τελευταίοι μάλιστα παίζουν σημαντικότατο ρόλο, με αποτέλεσμα τις περισσότερες φορές να επιλέγεται η αξιοποίηση των γεωθερμικών ρευστών όταν αυτά βρίσκονται κοντά σε βιομηχανικές, αστικές ή αγροτικές περιοχές και όταν υπάρχει ανάγκη θέρμανσης καθ όλη τη διάρκεια του έτους Γεωθερμική ροή Εάν θεωρηθεί ότι η παγκόσμια μέση ροή θερμότητας είναι 80mW/m 2, τότε η συνολική ροή θερμότητας που φθάνει στην επιφάνεια της γης (~5,1*10 14 W) υπερβαίνει τα 13

20 1,81*10 13 W, ποσό της συνολικά παγκοσμίου πρωτογενούς καταναλισκόμενης ενέργειας [U.S. Energy Information Administration, 2012]. Όπως είναι γνωστό, θερμότητα από τη γη χάνεται και μ άλλους μηχανισμούς, η συνεισφορά τους όμως στις συνολικές απώλειες είναι μικρή. Σημειώνεται όμως ότι ο ρυθμός ψύξης της Γης είναι πολύ μικρός, αφού υπολογίζεται ότι ο μανδύας κρύωσε κατά o C στα τελευταία τρία δισεκατομμύρια χρόνια [Φύτικας, 2004]. Από θεωρητικούς υπολογισμούς εκτιμήθηκε ότι η συνολική ροή θερμότητας από το εσωτερικό της γης προς τα έξω και με τους τρεις μηχανισμούς μετάδοσης της θερμότητας (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία) ανέρχεται σε 4,2*10 13 W. Από αυτή την ποσότητα ροής θερμότητας, τα 8*10 12 W προέρχονται από το φλοιό ( ο οποίος παρά το μικρό του πάχος είναι σχετικά πλούσιος σε ραδιενεργά ισότοπα), τα 32,3*10 12 W από το μανδύα και τα 1,7*10 12 W από τον πυρήνα, ο οποίος δεν περιέχει ραδιενεργά ισότοπα [Stacey and Loper, 1988]. Από συστηματικές μετρήσεις, τους προσδιορισμούς και τη συγκέντρωσησύνθεση δεδομένων που έγιναν κατά καιρούς από διάφορους ερευνητές και παρόλες τις δυσκολίες, προέκυψαν κάποια στατιστικά στοιχεία, που δίνουν την εικόνα των μέσων τιμών θερμικής ροής της γης σε διάφορα γεωλογικά περιβάλλοντα. Από τις πρώτες συνθέσεις και αποτιμήσεις δεδομένων προκύπτει ότι η ροή θερμότητας έχει μέση τιμή 60 mw/m 2, τόσο στον ηπειρωτικό όσο και στον ωκεάνιο φλοιό [Lee & Uyeda, 1965]. Υπάρχουν βεβαίως εκτιμήσεις και άλλων ερευνητών, οι οποίες όμως και αυτές δίνουν τη ροή θερμότητας στον ηπειρωτικό φλοιό να κυμαίνεται από 55mW/m 2 μέχρι 65mW/m 2. Μια από τις πλέον πρόσφατες συνθέσεις δεδομένων εκτιμά ότι η θερμική ροή στον ηπειρωτικό φλοιό είναι 65mW/m 2 με απόκλιση 1,6mW/m 2 [Pollack et al., 1993]. Οι ίδιοι ερευνητές εκτίμησαν ότι η θερμική ροή στην ωκεάνια λιθόσφαιρα είναι 101mW/m 2 με απόκλιση 2,2mW/m 2, ενώ άλλοι ερευνητές την τοποθετούν στα 80mW/m 2. Τα δεδομένα αυτά είναι διαθέσιμα μέσω του Διαδικτύου. Ο αριθμός των καταχωρισμένων μετρήσεων, οι μέσες τιμές και οι τυπικές αποκλίσεις μετρήσεων θερμικής ροής σε διάφορες ηπείρους και χώρες παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. Οι περισσότερες μετρήσεις έχουν γίνει στη Βόρεια Αμερική, στη Δυτική Ευρώπη και στην Πρώην Σοβιετική Ένωση. 14

21 Πίνακας 3.1: Μέσες τιμές και τυπικές αποκλίσεις μετρήσεων θερμικής ροής σε διάφορες ηπείρους και χώρες Περιοχή Αριθμός μετρήσεων Μέση θερμική ροή (mw/m 2 ) Τυπική απόκλιση (mw/m 2 ) Αφρική Ασία Αυστραλία Ευρώπη Β. Αμερική Ν. Αμερική Πρώην Σοβιετική Ένωση Ελλάδα Ιταλία Ν. Ζηλανδία Τα στοιχεία αυτά προέρχονται από τη βάση δεδομένων θερμικής ροής του US National Geophysical Data Center ( Τα δεδομένα συγκεντρώθηκαν και αναλύθηκαν από τους Pollack et al. (1993) για την International Heat Flow Commission. Στο σύνολο της Ευρώπης, η μέση θερμική ροή εκτιμήθηκε σε 62mW/m 2, τιμή που βρίσκεται πολύ κοντά στην τιμή (64mW/m 2 ) που εκτίμησε ο Cermak (1979). Οι τιμές της θερμικής ροής βεβαίως ποικίλλουν σημαντικά από περιοχή σε περιοχή, με τις χαμηλότερες τιμές (25mW/m 2 ) να καταγράφονται στη Σκανδιναβία και τις υψηλότερες στη Νότια Ευρώπη, με μέγιστη τιμή 680mW/m 2 [Φύτικας, 2004]. στην Κεντρική Ιταλία Γεωθερμικά συστήματα Ως γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources) ορίζονται οι ποσότητες της θερμικής ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη ανάμεσα στην επιφάνεια της γης και σε κάποιο προσβάσιμο βάθος και μπορεί να ανακτηθεί με ανταγωνιστικό κόστος σε σχέση με τις άλλες μορφές ενέργειας [Φύτικας, 2004]. Το σύνολο των φυσικών ατμών και θερμών νερών (επιφανειακών ή υπογείων) και της θερμότητας των γεωλογικών σχηματισμών αποτελούν το γεωθερμικό δυναμικό μιας περιοχής. Στο πεδίο αυτό η θερμοκρασία υπερβαίνει τη μέση ετήσια θερμοκρασία της περιοχής. Ο γεωλογικός, λοιπόν, αυτός χώρος, στον οποίο είναι «εγκλωβισμένη» η γεωθερμική ενέργεια, αποτελεί ένα γεωθερμικό σύστημα. Η εκμετάλλευση του γεωθερμικού δυναμικού πραγματοποιείται περισσότερο στις περιοχές όπου τα γεωθερμικά ρευστά (νερό, ατμός και διάφορα άλλα αέρια), ανεβαίνουν προς την επιφάνεια της γης μέσω ρηγμάτων ή ρωγμών, μεταφέροντας μ αυτό τον τρόπο τη θερμότητα που απάγουν από τα βαθύτερα και θερμότερα σημεία του φλοιού της γης. Αυτές οι περιοχές συναντώνται περισσότερο σε σημεία με ενεργό ηφαιστειότητα και ενεργό τεκτονική. Αντίστοιχα, όμως, γεωθερμικές περιοχές 15

22 χαρακτηρίζονται και εκείνες που για διάφορες άλλες αιτίες διαθέτουν θερμική ροή και γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από τη μέση τιμή. Όπως έχει αναφερθεί, η μέση θερμική ροή στον ηπειρωτικό φλοιό είναι περίπου 60mW/m 2 και η μέση γεωθερμική βαθμίδα 30 ο C/km. Οι καλύτερες από τις παραπάνω περιοχές βρίσκονται κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, με τιμές ροής και βαθμίδας μεγαλύτερες της μέσης τιμής, όπου απαντώνται και πολλές γεωθερμικές εκδηλώσεις. Για τη δημιουργία γεωθερμικών συστημάτων δεν αρκεί, όμως, μόνο η θερμική ανωμαλία, αλλά και η ύπαρξη ευνοϊκών γεωλογικών συνθηκών, όπως η διαθεσιμότητα των γεωθερμικών ρευστών σε μικρό σχετικά βάθος με ικανοποιητική θερμοκρασία και αποδεκτά φυσικο-χημικά χαρακτηριστικά σε αξιόλογες ποσότητες. Η θερμική ενέργεια των ρευστών εξαρτάται από την ποσότητα και τη θερμοκρασία τους και η οικονομικότητά τους από τα φυσικο-χημικά χαρακτηριστικά και το βάθος στο οποίο εντοπίζονται. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα από τα πλέον σημαντικά οικονομικά κεφάλαια εντοπίζεται στις γεωτρήσεις ανόρυξης των ρευστών, καθώς το κόστος τους ανεβαίνει σχεδόν γεωμετρικά σε σχέση με το βάθος τους. Τα γεωθερμικά συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορα κριτήρια, όπως είναι το είδος των γεωθερμικών πόρων, ο τύπος και η θερμοκρασία των ρευστών, ο τύπος του πετρώματος που φιλοξενεί τα ρευστά, το είδος της εστίας θερμότητας, αν κυκλοφορούν ή όχι ρευστά στον ταμιευτήρα κ.α. Σε σχέση με το είδος των γεωθερμικών πόρων διακρίνονται πέντε κατηγορίες συστημάτων [Φύτικας, 2004]. Τα υδροθερμικά συστήματα ή πόροι (hydrothermal systems or resources): Τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά, τα οποία βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους ταμιευτήρες, θερμαίνονται από μια εστία θερμότητας και συχνά εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης με τη μορφή θερμών εκδηλώσεων. Τα συστήματα αυτά συχνά ταυτίζονται με το σύνολο σχεδόν των γεωθερμικών πεδίων, αφού σήμερα ουσιαστικά είναι τα μόνα που αξιοποιούνται. Τα γεωπεπιεσμένα συστήματα (geopressured systems): Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από ρευστά εγκλεισμένα σε μεγάλο βάθος, βρίσκονται περιορισμένα από μη περατά πετρώματα και η πίεση τους υπερβαίνει την υδροστατική. Συγκαταλέγονται στα στατικά συστήματα και συνυπάρχουν με υδρογονάνθρακες (κυρίως αερίου). Τα συστήματα βαθιών θερμών-άνυδρων πετρωμάτων (hot dry rock systems): Τα θερμά πετρώματα σε βάθος από 3 μέχρι 10 km χωρίς φυσική κυκλοφορία ρευστών, από τα οποία μπορεί να ανακτηθεί ενέργεια χρησιμοποιώντας νερό 16

23 που διοχετεύεται από την επιφάνεια μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων και ανακτάται θερμότερο με τη μορφή νερού ή ατμού μέσω άλλων γεωτρήσεων. Τα μαγματικά συστήματα (magma systems): Αναφέρονται στην απόληψη θερμότητας με κατάλληλες γεωτρήσεις σε μαγματικές διεισδύσεις, που βρίσκονται σε μικρό σχετικό βάθος. Αβαθής γεωθερμία (earth energy): Μια πολλά υποσχόμενη κατηγορία γεωθερμικής ενέργειας, κατά την οποία λαμβάνονται ποσότητες ενέργειας από μικρά βάθη με την ανακυκλοφορία νερού σε κλειστές υδροφόρες ή «ξηρές» γεωτρήσεις ή σε ρηχές επιφάνειες εδάφους. Η αβαθής γεωθερμία θα αναλυθεί εκτενέστερα σε επόμενο κεφάλαιο. Μια πρώτη διάκριση των γεωθερμικών συστημάτων γίνεται με βάση το κυρίαρχο γεωθερμικό ρευστό. Έτσι, τα συστήματα χωρίζονται σε αυτά όπου κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός και αποκαλούνται συστήματα ατμού (vapor dominated systems) και σ αυτά όπου κυρίαρχο ρευστό είναι το θερμό νερό και αποκαλούνται συστήματα θερμού νερού (water dominated systems). Τα συστήματα ατμού χρησιμοποιούνται αποκλειστικά στην ηλεκτροπαραγωγή. Το συνηθέστερο κριτήριο για την ταξινόμηση των γεωθερμικών συστημάτων νερού βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών. Η ενθαλπία, ΔH, εκφράζει γενικώς το θερμικό περιεχόμενο των ρευστών και θεωρείται ανάλογη με τη θερμοκρασία τους. Με βάση το κριτήριο αυτό, οι γεωθερμικοί πόροι ταξινομούνται σε ρευστά χαμηλής, μέσης και υψηλής ενθαλπίας. Ρευστά υψηλής ενθαλπίας χαρακτηρίζονται αυτά με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 150 ο C, μέσης αυτά με θερμοκρασία από 90 ο C μέχρι 150 ο C και χαμηλής αυτά με θερμοκρασία μικρότερη από 90 o C. Με βάση την ταξινόμηση αυτή θεωρείται ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι πάντα οικονομικά αποδεκτή για ρευστά ενθαλπίας μικρότερης των 150 ο C. 3.2 Χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας Εισαγωγή Οι χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας χωρίζονται συνήθως σε ηλεκτρικές (electrical uses) και σε άμεσες χρήσεις (direct uses). Στη δεύτερη κατηγορία γίνεται εκμετάλλευση της θερμότητας των ρευστών χωρίς να παραχθεί ενδιάμεσα ηλεκτρική ενέργεια. Οι περισσότερο καθιερωμένες εφαρμογές είναι η θέρμανση χώρων, οι ιχθυοκαλλιέργειες, η ξήρανση αγροτικών προϊόντων και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 150 ο C χρησιμοποιούνται σχεδόν 17

24 αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, ενώ οι άμεσες χρήσεις καλύπτουν όλη την κλίμακα θερμοκρασιών [Φύτικας, 2004]. Στην Ελλάδα, σύμφωνα με στοιχεία του εθνικού φορέα για την προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών, της ορθολογικής χρήσης και της εξοικονόμησης ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.: Κέντρο Ανανεώσιμών Πηγών Ενέργειας), παρατηρείται αύξηση στη χρήση της γεωθερμίας στην πρωτογενή παραγωγή από το 1990 ως το 2008, ενώ αντίθετα η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμία έχει παραγκωνιστεί. Στη συνέχεια παρατίθενται ο σχετικός πίνακας και το αντίστοιχο διάγραμμα με τα ανάλογα στοιχεία του Κ.Α.Π.Ε. Πίνακας 3.2: Στοιχεία του Κ.Α.Π.Ε. για την πρωτογενή παραγωγή από γεωθερμία στην Ελλάδα και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Ετήσια έκθεση 2009) Εικόνα 3.1: Γραφική αναπαράσταση της Πρωτογενούς Παραγωγής Ενέργειας σε ktoe (kilotons of oil equivalent) και Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Ελλάδα για τα έτη σύμφωνα με στοιχεία του Κ.Α.Π.Ε. 18

25 3.2.2 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Το 2000, περίπου 7984 MWe γεωθερμικής ισχύος ήταν εγκατεστημένα σε 21 χώρες του πλανήτη [Huttrer, 2001] με μέσο συντελεστή λειτουργίας 0,71. Ανάμεσα στο 1995 και το 2000 σημειώθηκε αύξηση 17% ή ετήσια αύξηση 3,2%. Η συνολική παραγωγή γεωθερμικού ηλεκτρισμού το 2000 αποτιμάται σε 12,5 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου (με την υπόθεση ότι ο συντελεστής απόδοσης είναι 35%). Η παραγωγή ηλεκτρικής γεωθερμικής ενέργειας είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών CO 2 το χρόνο, στην περίπτωση που η γεωθερμική ενέργεια αντικαθιστά το πετρέλαιο [Φύτικας, 2004]. Ο τύπος (κύκλος) της μονάδας ο οποίος χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της γεωθερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική καθορίζεται συνήθως από το είδος του πεδίου (ξηρός ατμός, διφασικό ρευστό), από τη θερμοκρασία και την πίεση των ρευστών (δηλαδή από την ενθαλπία τους), από τη σύσταση των γεωθερμικών ρευστών (π.χ. ποσοστό μη-συμπυκνώσιμων αερίων, παρουσία αλάτων), από τη δυναμικότητα της μονάδας και από την τάση των ρευστών για δημιουργία επικαθίσεων και διάβρωσης των μεταλλικών επιφανειών. Οι κυριότεροι τύποι μονάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα είναι ο κύκλος ατμού, ο κύκλος εκτόνωσης διφασικού ρευστού, ο δυαδικός κύκλος και ο κύκλος της συνολικής ροής [Φύτικας, 2004]. Κύκλος ατμού Ο κύκλος απευθείας χρήσης του ατμού ή απλά κύκλος ατμού (direct steam expansion) είναι ο απλούστερος τύπος γεωθερμικής μονάδας και ο τύπος που απαιτεί το μικρότερο κόστος κεφαλαίου. Συνοπτικά, ατμός από μία ή περισσότερες γεωτρήσεις οδηγείται κατευθείαν σε ένα στρόβιλο, χωρίς καμιά επεξεργασία ή ύστερα από επεξεργασία για την αφαίρεση HCl ή άλλων επιβλαβών ουσιών που βρίσκονται στον ατμό. Η μονάδα μπορεί να έχει συμπυκνωτή (condensing type), όπου η πίεση διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα ή όχι (back pressure type), δηλαδή ο ατμός εξέρχεται κατευθείαν στην ατμόσφαιρα. Η επιλογή του τύπου γίνεται ανάλογα με την περιεκτικότητα του ατμού σε μη συμπυκνώσιμα αέρια. Πρέπει πάντως να σημειωθεί ότι ο τύπος χωρίς συμπυκνωτή παρουσιάζει αισθητά χαμηλότερη απόδοση (σχεδόν τη μισή) από ότι ο τύπος με συμπυκνωτή. Έχει, όμως, απλούστερη λειτουργία και μικρότερο κόστος (δεν απαιτείται συμπυκνωτής, πύργος ψύξης και σύστημα άντλησης του νερού ψύξης) [Φύτικας, 2004]. 19

26 Εικόνα 3.2: Σκαρίφημα γεωθερμικής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με διάθεση του ατμού απευθείας στην ατμόσφαιρα. Η ροή του γεωθερμικού ρευστού σημειώνεται με κόκκινο χρώμα. Κύκλος εκτόνωσης διφασικού ρευστού Ο κύκλος εκτόνωσης διφασικού ρευστού (flash condensing type) χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις που έχουμε νερό σε υψηλή θερμοκρασία (>150 o C) και πίεση. Στον τύπο αυτόν, το γεωθερμικό ρευστό είτε έρχεται ως διφασική ροή από την γεώτρηση είτε εκτονώνεται σε πίεση χαμηλότερη από την πίεση που επικρατεί στην κεφαλή της γεώτρησης και μετατρέπεται σε διφασικό μίγμα. Το μίγμα αυτό διαχωρίζεται σε κατακόρυφο διαχωριστή και ο ατμός οδηγείται στο στρόβιλο για την παραγωγή της ηλεκτρικής ισχύος. Αν η θερμοκρασία και η πίεση του γεωθερμικού ρευστού το επιτρέπουν, τότε το υγρό μπορεί να εκτονωθεί για δεύτερη φορά (dual flashing) ή και περισσότερες φορές (multistage flashing), ώστε να παραχθεί επιπλέον ατμός, που θα αυξήσει σημαντικά την απόδοση της μονάδας. Οι μονάδες εκτόνωσης διφασικού ρευστού μπορεί να διαθέτουν συμπυκνωτή ή όχι, όπως στον κύκλο ατμού, με τα ίδια περίπου πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα συστήματα εκτόνωσης του διφασικού ρευστού αποτελούν την πλέον αποδοτική τεχνολογία, όταν η θερμοκρασία των ρευστών υπερβαίνει τους 150 o C [Φύτικας, 2004]. 20

27 Εικόνα 3.3: Σκαρίφημα μιας γεωθερμικής μονάδας ηλεκτρικής ενέργειας με συμπυκνωτές. Η ροή των ρευστών υψηλής θερμοκρασίας σημειώνεται με κόκκινο χρώμα, ενώ του νερού ψύξης με μπλε. Δυαδικός κύκλος Ο δυαδικός κύκλος (binary fluid cycle) ή κύκλος Rankine με οργανικό ρευστό (organic Rankine cycle) χρησιμοποιείται με ρευστά θερμοκρασίας o C. Επειδή τα πεδία μέσης ενθαλπίας είναι περισσότερα, ο δυαδικός τύπος τείνει να επικρατήσει. Τα κύρια τμήματα ενός δυαδικού συστήματος είναι ο εναλλάκτης γεωθερμικού νερούδευτερευόντος ρευστού (ψυκτικού), ο ατμοστρόβιλος, η ηλεκτρική γεννήτρια, ο συμπυκνωτής (συνήθως εναλλάκτης αυλών και κελύφους), η αντλία κυκλοφορίας του ψυκτικού, η αντλία επανεισαγωγής (αν απαιτείται) και οι απαραίτητες βαλβίδες ελέγχου. Συνοπτικά, το γεωθερμικό ρευστό χρησιμοποιείται για τη θέρμανση (και εξάτμιση) σε έναν εναλλάκτη του δευτερεύοντος ρευστού (νερό και αμμωνία, ισοβουτάνιο, ισοπεντάνιο, κτλ.), το οποίο έχει μικρότερο σημείο ζέσεως σε σχέση με το νερό. Οι ατμοί του δευτερεύοντος ρευστού οδηγούνται αρχικά στο στρόβιλο και εν συνεχεία στο συμπυκνωτή. Τέλος, το ρευστό από το συμπυκνωτή συμπιέζεται και επανεισάγεται πάλι στον εναλλάκτη μέσω της αντλίας ανακυκλοφορίας του ψυκτικού μέσου. Τα δυαδικά συστήματα είναι μικρές μονάδες, των οποίων η ισχύς ποικίλλει από μερικές εκατοντάδες kwe μέχρι περίπου 3 MWe [Φύτικας, 2004]. 21

28 Εικόνα 3.4: Σκαρίφημα μιας γεωθερμικής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με δυαδικό κύκλο. Το γεωθερμικό ρευστό σημειώνεται με το κόκκινο χρώμα, το δευτερεύον ρευστό με πράσινο και το νερό ψύξης με μπλε. Συνδυασμένος κύκλος ατμού και δυαδικού συστήματος Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ο λεγόμενος συνδυασμένος κύκλος (combined cycle), ο οποίος αποτελεί το συνδυασμό του κύκλου εκτόνωσης του διφασικού ρευστού και του δυαδικού κύκλου, με συνέπεια τη σημαντική αύξηση της απόδοσης της μονάδας. Γίνεται, δηλαδή, περαιτέρω αξιοποίηση της θερμότητας από τη συμπύκνωση του ατμού από τον κύριο στρόβιλο και μέρους της θερμότητας της υγρής φάσης για τη λειτουργία ενός δυαδικού κύκλου. Πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι η συμπύκνωση του ψυκτικού μέσου γίνεται με αέρα (αερόψυκτος συμπυκνωτής) και ότι το σύνολο των γεωθερμικών ρευστών επανεισάγεται στον ταμιευτήρα [Φύτικας, 2004]. Κύκλος εκτόνωσης της συνολικής ροής Στις μονάδες εκτόνωσης του διφασικού ρευστού, ένα μέρος μόνο της θερμότητας των ρευστών αξιοποιείται, δηλ. η ενθαλπία του ατμού που διαχωρίζεται. Στον τύπο της μονάδας εκτόνωσης της συνολικής ροής (total flow expansion), γίνεται εκτόνωση όλου του ρευστού με τη βοήθεια κατάλληλου ακροφύσιου (nozzle) και το διφασικό ρευστό (σε μορφή τζετ) κινεί μια περιστρεφόμενη συσκευή (π.χ. στρόβιλο τύπου Pelton), που μετατρέπει την ορμή σε περιστροφική κίνηση. Ο ατμός από το διφασικό στρόβιλο οδηγείται κατόπιν σε ένα συμβατικό ατμοστρόβιλο. Τουλάχιστον 40% περισσότερη ισχύς επιτυγχάνεται με τον κύκλο αυτόν σε μια συγκεκριμένη γεώτρηση [Φύτικας, 2004]. 22

29 3.2.3 Άμεσες χρήσεις Οι κυριότερες άμεσες εφαρμογές της γεωθερμίας μπορούν να ταξινομηθούν στις κατηγορίες: θέρμανση χώρων αγροτικές χρήσεις υδατοκαλλιέργειες βιομηχανικές χρήσεις λουτροθεραπεία (και πισίνες) αντλίες θερμότητας Η εγκατεστημένη θερμική ισχύς των γεωθερμικών μονάδων μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας σε 58 χώρες στον κόσμο ανήλθε το έτος 2000 στα MWt, σημειώνοντας αύξηση κατά 75% σε σχέση με το Η ενεργειακή χρήση στην ίδια χρονιά ανήλθε σε 191 GJ/έτος σημειώνοντας αύξηση 69% σε σχέση με το 1995 ή 11% σε ετήσια βάση. Η τιμή αυτή της ενεργειακής παραγωγής αντιστοιχεί σε 4,3 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου (ΤΙΠ) ανά έτος. Συγκριτικά σημειώνεται ότι εξοικονομούνται περίπου 20 εκατ. ΤΙΠ/έτος από την αξιοποίηση άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας [Φύτικας, 2004]. Θέρμανση χώρων Η θέρμανση των χώρων στα κτίρια επιτελείται με τη διέλευση του γεωθερμικού νερού (ή του νερού λειτουργίας που θερμάνθηκε από γεωθερμικό ρευστό) μέσω των εναλλακτών θερμότητας αέρα-υγρού (converters), κάτι που γίνεται και με τα συμβατικά θερμαντικά σώματα. Χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι τέτοιων εναλλακτών, οι κυριότεροι των οποίων είναι: o o o οι εναλλάκτες που λειτουργούν με ροή αέρα (εξαναγκασμένη συναγωγή) οι εναλλάκτες που λειτουργούν με φυσική συναγωγή οι εναλλάκτες που λειτουργούν με ακτινοβολία (σωλήνες τοποθετημένοι στο πάτωμα, σε τοίχους ή στην οροφή). Στη θέρμανση χώρων με γεωθερμία περιλαμβάνεται και η θέρμανση θερμού νερού, πισίνων ή κολυμβητηρίων, άμεσα ή έμμεσα με γεωθερμικό νερό. Η θέρμανση του θερμού νερού είναι προτιμότερο να γίνεται σε ένα δεύτερο εναλλάκτη, που θα εκμεταλλεύεται την έξοδο του γεωθερμικού νερού από τον εναλλάκτη θέρμανσης χώρων [Φύτικας, 2004]. 23

30 Αγροτικές χρήσεις Τα καλύτερα αποτελέσματα αξιοποίησης της γεωθερμίας σε αγροτικές χρήσεις έχουν επιτευχθεί στη θέρμανση θερμοκηπίων και στις υδατοκαλλιέργειες, και σε μικρότερο βαθμό, στην ξήρανση αγροτικών προϊόντων. o θέρμανση θερμοκηπίων Η ρύθμιση της θερμοκρασίας στις καλλιέργειες συμβάλλει στην αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης των φυτών, ενώ επιτρέπει την καλλιέργεια φυτών και την παραγωγή αγροτικών προϊόντων «εκτός εποχής», καθώς και τον ορθολογικό προγραμματισμό της παραγωγής. Επίσης, η ρύθμιση της θερμοκρασίας είναι απαραίτητη και για την προστασία των φυτών από τον παγετό. Ο χώρος ενός θερμοκηπίου μπορεί να θερμανθεί με τους παρακάτω τρόπους: Με θέρμανση του χώρου, του εδάφους ή/και των ριζών των φυτών με εναέριους, επιδαπέδιους σωλήνες ή με σωλήνες που είναι τοποθετημένοι μέσα στο χώμα (σε βάθος 5-20cm). Από τους σωλήνες αυτούς διέρχεται είτε απευθείας το γεωθερμικό ρευστό (εάν το επιτρέπει ο χημισμός του) είτε το νερό λειτουργίας, το οποίο θερμαίνεται από γεωθερμικά ρευστά. Οι εναέριοι σωλήνες είναι συνήθως από χαλκό, άλλο μέταλλο ή κράμα με πτερύγια, ενώ οι υπεδάφιοι και επιδαπέδιοι σωλήνες είναι συνήθως πλαστικοί. Στην Ελλάδα έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης «πλαστικές σακούλες» με διάμετρο περίπου 200mm και, κυρίως, οι αγωγοί πολυπροπυλενίου με πτυχώσεις διαμέτρου 28mm. Με τους τελευταίους αγωγούς γίνεται και η υπεδάφεια θέρμανση του χώματος για τις καλλιέργειες πρωϊμισης σπαραγγιών ή άλλων ειδών. Με τη θέρμανση του αέρα του θερμοκηπίου με εναλλάκτη αέρα-γεωθερμικού νερού ή νερού λειτουργίας (αερόθερμο). Ο θερμός αέρας διοχετεύεται σε όλο το θερμοκήπιο, συνήθως με διάτρητο πλαστικό αγωγό. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η ανομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας μέσα στο θερμοκήπιο, με τη θερμοκρασία να είναι υψηλότερη στο ανώτερο μέρος του, δηλαδή μακριά από τα φυτά. Με τοποθέτηση θερμαντικών σωμάτων στα πλευρικά τοιχώματα του θερμοκηπίου. Με ψεκασμό της οροφής του θερμοκηπίου με γεωθερμικό υγρό ή διέλευση υγρού στα διπλά τοιχώματα της οροφής (κυρίως για αντιπαγετική προστασία). Χρησιμοποιούνται σπάνια και μόνο με γεωθερμικά νερά με πολύ χαμηλή αλατότητα. Με συνδυασμό των προηγούμενων τρόπων. 24

31 Η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για τη θέρμανση θερμοκηπίων μπορεί να μειώσει σημαντικά (περίπου κατά 30-35%) το λειτουργικό τους κόστος [Φύτικας, 2004]. o ξήρανση αγροτικών προϊόντων Η ξήρανση σιτηρών (κυρίως καλαμποκιού και ρυζιού), λαχανικών, φρούτων ή άλλων αγροτικών προϊόντων (π.χ. μηδικής, καπνού, βαμβακιού) είναι από τις αγροτικές διεργασίες οι οποίες καταναλώνουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας. Τα περισσότερα ξηραντήρια λειτουργούν σήμερα με συμβατικά καύσιμα, αλλά εκεί όπου υπάρχει η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να υποκαταστήσει με επιτυχία τα καύσιμα αυτά. Πρέπει να προστεθεί ότι, λόγω των θερμοκρασιακών περιορισμών, τα γεωθερμικά ρευστά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προξήρανση ορισμένων προϊόντων ή για την προθέρμανση του αέρα, και την τελική του θέρμανση με πετρέλαιο ή φυσικό αέριο. Ένα από τα πλεονεκτήματα της χρήσης των γεωθερμικών ρευστών στην ξήρανση των αγροτικών προϊόντων αποτελεί το γεγονός ότι τα ξηραντήρια λειτουργούν συνήθως τους θερμούς μήνες, όταν δεν απαιτείται θέρμανση των θερμοκηπίων ή όταν οι ανάγκες τους για θέρμανση είναι μικρές, με αποτέλεσμα την αύξηση του συντελεστή λειτουργίας ενός γεωθερμικού συστήματος. Από στοιχεία έρευνας της αγοράς, ένα σύγχρονο ξηραντήριο καλαμπoκιού δυναμικότητας 30 τόνων/ώρα καταναλώνει θερμική ενέργεια που παράγεται από 400 λίτρα πετρελαίου. Η ποσότητα αυτή των καυσίμων κοστίζει περίπου ευρώ το χρόνο. Θα μπορούσαν να αντικατασταθούν όλα αυτά τα καύσιμα με χρήση γεωθερμικών ρευστών ο C, με μικρή τροποποίηση των υπαρχόντων ξηραντηρίων ή με κατάλληλο σχεδιασμό νέων μονάδων [Φύτικας, 2004]. o υδατοκαλλιέργειες Η ανάπτυξη των περισσότερων ψαριών (χέλια, λαβράκια, τσιπούρες, γατόψαρα κ.α.), των θαλάσσιων μαλακόστρακων (π.χ. γαρίδες) και ερπετών με εμπορική αξία (π.χ. αλιγάτορες) είναι πολύ μεγαλύτερη σε θερμοκρασίες νερού ο C. Βεβαίως, υπάρχουν και ψάρια που η βέλτιστη ανάπτυξή τους συμβαίνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία, όπως είναι οι σολομοί και οι πέστροφες, που αναπτύσσονται καλύτερα σε θερμοκρασία o C, αν και μπορούν να ανεχτούν θερμοκρασίες από 4 ο C μέχρι 32 ο C. Σε αντίθεση, η ανάπτυξη των μεγάλων θηλαστικών και πτηνών (αγελάδες, αιγοπρόβατα, κοτόπουλα κ.α.) δεν επηρεάζεται σημαντικά από την εξωτερική θερμοκρασία. Η γεωθερμία μπορεί να προσφέρει, και ήδη προσφέρει, με οικονομικό τρόπο τη θέρμανση του νερού σε υδατοκαλλιέργειες συγκεκριμένων ειδών. Η θέρμανση 25

32 πραγματοποιείται είτε άμεσα, με την απευθείας εισαγωγή του γεωθερμικού νερού στις δεξαμενές ή λιμνούλες ανάπτυξης, είτε έμμεσα, ύστερα από τη θέρμανση γλυκού ή θαλασσινού νερού. Για την άμεση χρήση του γεωθερμικού νερού απαιτείται να μην υπάρχουν τοξικά συστατικά στο νερό (π.χ. βαρέα μέταλλα, υδρόθειο, αρσενικό κλπ.) [Φύτικας, 2004]. Βιομηχανικές χρήσεις Τα γεωθερμικά ρευστά δεν περιέχουν μόνο θερμότητα, αλλά αρκετές φορές περιέχουν και αξιοποιήσιμες διαλυμένες ουσίες, στερεές ή αέριες. Στοιχεία που θεωρητικά θα μπορούσαν να ανακτηθούν είναι ο χρυσός, ο λευκόχρυσος, το μαγνήσιο, το αντιμόνιο, το βόριο, το στρόντιο κλπ. Από τα αέρια που βρίσκονται στα γεωθερμικά ρευστά το μόνο που μπορεί να τύχει εκμετάλλευσης είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) [Φύτικας, 2004]. o ανάκτηση διοξειδίου του άνθρακα Το CO 2 που υπάρχει σε πολλά γεωθερμικά πεδία μπορεί κάλλιστα να δεσμευτεί στις επιφανειακές εγκαταστάσεις και να αξιοποιηθεί ως εμπορικό παραπροϊόν. Το CO 2 χρησιμοποιείται ως πυροσβεστικό μέσο, στη συντήρηση τροφών, ως πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία, ως μέσο για τη δευτερογενή εξόρυξη πετρελαίου και αλλού. Οι παραπάνω όμως χρήσεις προϋποθέτουν μεγάλες ποσότητες αερίου, οι οποίες μπορούν να ανακτηθούν ύστερα από συστηματική εκμετάλλευση γεωθερμικών πεδίων και αξιοποίηση δικτύου γεωτρήσεων. Σε τοπική κλίμακα, η ανάκτηση μικρών ποσοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία εμφιάλωσης ανθρακούχων ποτών ή ως πρόσθετο της ατμόσφαιρας θερμοκηπίων [Φύτικας, 2004]. o αφαλάτωση νερού Το πρόβλημα της επάρκειας γλυκού νερού είναι αρκετά έντονο σε πολλές περιοχές του κόσμου, αλλά και της Ελλάδας (ιδιαίτερα σε ορισμένα νησιά) και γίνεται καθημερινά εντονότερο με την αλόγιστη χρήση του. Η παραγωγή αφαλατωμένου νερού με χρήση γεωθερμικής ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με τους παρακάτω τρόπους [Φύτικας, 2004]: με απευθείας συμπύκνωση γεωθερμικού ατμού. Μπορεί να εφαρμοσθεί στα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας της Μήλου και της Νισύρου. με εξάτμιση θαλασσινού νερού σε συνθήκες μερικού κενού. με τη μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τη γεωθερμία. 26

33 Διάφορες χρήσεις Υπάρχει μια πληθώρα άλλων σημαντικών εφαρμογών της γεωθερμίας, λιγότερο ή περισσότερο γνωστών. Μερικές από τις χρήσεις αυτές είναι [Φύτικας, 2004]: λουτροθεραπεία και θέρμανση πισινών και θεραπευτικών μονάδων πλύσιμο και διαύγαση ινών. Έχει εφαρμοσθεί στη Ν. Ζηλανδία παραγωγή αποσταγμένου νερού στν Ν. Ζηλανδία ξήρανση γης διατόμων στην Ισλανδία με τη βοήθεια γεωθερμικού ατμού θερμοκρασίας 170 o C χώνευση λυμάτων. Με προσθήκη γεωθερμικών ρευστών και επανέγχυση των επεξεργασμένων λυμάτων σε γεωθερμικούς ταμιευτήρες (στις ΗΠΑ) πλύσιμο και ξήρανση μαλλιού σε διάφορες χώρες χρήση γεωθερμικών ρευστών στην εξόρυξη ουρανίου στο Τέξας, στην επεξεργασία χαλκού στο Ν. Μεξικό, στο διαχωρισμό χρυσού στη Νεβάδα, σε ορυχεία στη Σιβηρία και στη δευτερογενή ανάκτηση πετρελαίου στο Καζακστάν αντιπαγετική προστασία δρόμων, πλατειών, χώρων στάθμευσης κτλ. (ΗΠΑ, Ιαπωνία, Ρωσική Δημοκρατία, Ισλανδία) επεξεργασία πατάτας στις ΗΠΑ άρδευση με απορριπτόμενο γεωθερμικό νερό Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Γενικά, η αντλία θερμότητας (heat pump) είναι μια συσκευή που έχει την ικανότητα να μεταφέρει θερμότητα από ένα μέσο με χαμηλή θερμοκρασία σε ένα άλλο μέσο με υψηλότερη θερμοκρασία, καταναλώνοντας βέβαια εξωτερική ενέργεια. Αυτό πραγματοποιείται με απορρόφηση θερμότητας από μια πηγή χαμηλής σχετικά θερμοκρασίας (όπως είναι το υπόγειο ή το επιφανειακό νερό, ο εξωτερικός αέρας κτλ.) και τη μεταφορά της θερμότητας αυτής σε ένα θερμότερο μέσο, όπως είναι το νερό ή ο αέρας, το οποίο και χρησιμοποιείται για παράδειγμα για τη θέρμανση μιας οικίας ή ενός θερμοκηπίου. Τα βασικά εξαρτήματα μιας αντλίας θερματότητας περιλαμβάνουν το συμπιεστή, το συμπυκνωτή, τον εξατμιστή, τη βαλβίδα εκτόνωσης και βέβαια την πηγή ενέργειας. Στις περισσότερες περιπτώσεις η αντλία θερμότητας είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να αντιστρέφει την ψυκτική και θερμαντική λειτουργία, επιτρέποντας τη χρήση της ίδιας συσκευής τόσο για ψύξη όσο και για θέρμανση [Φύτικας, 2004]. Η λειτουργία της αντλίας θερμότητας θα αναλύθει εκτενέστερα σε επόμενο κεφάλαιο. 27

34 3.3 Αβαθής γεωθερμία Εισαγωγή Με βάση πολυάριθμες μετρήσεις που έχουν γίνει στο υπέδαφος διαφόρων σημείων του κόσμου, έχει διαπιστωθεί ότι οι ατμοσφαιρικές συνθήκες επηρεάζουν τη θερμοκρασία σε μικρό σχετικά βάθος, συνήθως μέχρι τα 15m. Από εκεί και κάτω, η μεταβολή της θερμοκρασίας υπακούει μόνο στους κανόνες της γεωθερμκής βαθμίδας, δηλαδή αυξάνεται σταθερά με το βάθος και με μέσο ρυθμό της τάξης του 1 o C/30m, που είναι η μέση ή ομαλή γεωθερμική βαθμίδα. Τα ρηχά γεωθερμικά ρευστά ή η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων που βρίσκονται σε πολύ μικρά βάθη (μέχρι 100m περίπου) έχει οριστεί ως αβαθής γεωθερμία [Φύτικας, 2004]. Η αβαθής γεωθερμική ενέργεια προέρχεται κυρίως (80-90%) από την ροή της ενδογήινης θερμότητας-η οποία προέρχεται από το θερμό εσωτερικό της γης-προς τα επιφανειακά εδαφικά στρώματα. Σε μικρά βάθη (<20m) έχουμε και επιπρόσθετη ενέργεια από διείσδυση της ηλιακή ακτινοβολίας που δέχεται το έδαφος (κυρίως τις θερμές εποχές του έτους), η οποία αποθηκεύεται σε ποσοστό περίπου 47% του συνόλου της προσπίπτουσας στο έδαφος ενέργειας και αποτελεί το ειπρόσθετο 10-20% του συνολικού ενεργειακού εδαφικού φορτίου. Οι παράγοντες που συντελούν στην ικανότητα του εδάφους να αποθηκεύει την θερμότητα είναι: η μεγάλη θερμοχωρητικότητα του εδάφους και γενικά των πετρωμάτων η απώλεια θερμότητας προς την ατμόσφαιρα (με ακτινοβολία) πραγματοποιείται με αργό ρυθμό Όλα αυτά αποτελούν και τον κύριο παράγοντα της διατήρησης μιας σταθερής μέσης θερμοκρασίας στο υπέδαφος μετά από ένα ορισμένο βάθος το οποίο έχει βρεθεί ότι είναι στα 10-20m. Η αβαθής γεωθερμία στηρίζεται στην εκμετάλλευση της θερμικής κατάστασης που παρουσιάζεται στο μικρό αυτό βάθος, όπου έχουμε πρακτικά σταθερή θερμοκρασία καθ όλη τη διάρκεια του έτους, ανεξάρτητα από την θερμοκρασία της επιφάνειας. Στον ελλαδικό χώρο, στην περιοχή της Άττικης, έχει μετρηθεί ότι η θερμοκρασία αυτή είναι o C., όπως παρουσιάζεται στο ακόλουθο διάγραμμα. 28

35 Εικόνα 3.5: Μέσες θερμοκρασίες εδάφους στον ελλαδικό χώρο ανά εποχή έτους Στην Κεντρική Ευρώπη είναι χαμηλότερη (γύρω στους 13 o C), ενώ στην περιοχή της Σκανδιναβίας είναι ακόμη πιο χαμηλή. Για να δημιουργηθεί σαφής και ολοκληρωμένη εικόνα της υπεδαφικής θερμικής κατάστασης μιας περιοχής, λαμβάνονται πάντοτε υπ όψη και οι εκάστοτε εδαφολογικές συνθήκες-ιδιαιτερότητες, η γεωλογική δομή και διάταξη των πετρωμάτων, η θερμική αγωγιμότητά τους και οι υδρολογικές συνθήκες της περιοχής. Τα συστήματα που βασίζονται στη χρήση της αβαθούς γεωθερμίας αναφέρονται διεθνώς με το όνομα Geothermal heat pump systems (συστήματα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας) ή και Geoexchange (γεωεναλλακτικά συστήματα, γεωεναλλάκτες, συστήματα γεωεναλλαγής) [Καραμάνης, 2005] Τρόποι εκμετάλλευσης Η βασική ιδέα για την εκμετάλλευση της αβαθούς γεωθερμικής ενέργειας συνίσταται [Καραμάνης, 2005]: στην απαγωγή της εδαφικής θερμότητας μέσω ενός συστήματος το οποίο αποτελείται από κάποιο ρευστό (συνήθως νερό) που κυκλοφορεί σε σύστημα σωληνώσεων, οι οποίες τοοθετούνται μέσα στο έδαφος. Το σύστημα αυτό όπως έχει αναφερθεί ονομάζεται γεωεναλλάκτης στην αναβάθμισή της, όταν κρίνεται αναγκαίο, μέσω μιας αντλίας θερμότητας 29

36 στη μεταφορά της μέσω ενός συστήματος σωληνώσεων ή fancoils που καταλήγουν σε δίκτυο δαπέδου (επιδαπέδιο), οροφής, τοίχων ή ακόμη και σε συμβατικά σώματα (καλοριφέρ) τα οποία έχουν ενσωματωμένο ανεμιστήρα για τη διασπορά της θερμότητας και τη θέρμανση των χώρων Εναλλακτικά, η αρχή αυτή χρησιμοπιείται και για ψύξη, με μεταφορά της θερμότητας απευθείας από την επιφάνεια (κτίριο) στο υπέδαφος και διασπορά της εκεί. Επιπλέον, εκτός από τη χρήση της γεωθερμίας σε μεμονωμένα κτίρια, υπάρχει η δυνατότητα και για τηλεθέρμανση. Μέσω της τηλεθέρμανσης επιτυγχάνεται η ταυτόχρονη θέρμανση πολλών κτιρίων ενός οικισμού ή ακόμη και μιας πόλης, όπως συμβαίνει στην Ισλανδία. Τα γεωθερμικά συστήματα τηλεθέρμανσης, βέβαια, απαιτούν μεγάλα αρχικά κεφάλαια. Το κύριο κόστος αφορά την αρχική επένδυση για την κατασκευή των γεωτρήσεων παραγωγής και επανεισαγωγής, την αγορά των συστημάτων άντλησης και μεταφοράς των ρευστών, την κατασκευή των δικτύων και των σωληνώσεων, την προμήθεια του εξοπλισμού ελέγχου και παρακολούθησης των εγκαταστάσεων, την κατασκευή των σταθμών διανομής και των δεξαμενών αποθήκευσης. Παρόλα αυτά, τα λειτουργικά έξοδα, τα οποία αφορούν στην ενέργεια που καταναλώνεται για την άντληση των ρευστών, τη συντήρηση του συστήματος και τη διαχείριση της εγκατάστασης, είναι σημαντικά μικρότερα σε σύγκριση με αυτά μιας συμβατικής μονάδας. Ένας κρίσιμος παράγοντας για τον υπολογισμό του αρχικού κόστους του συστήματος είναι η πυκνότητα του θερμικού φορτίου ή, αλλιώς, οι απαιτήσεις σε θέρμανση δια την επιφάνεια που καλύπτει η περιοχή που πρόκειται να θερμανθεί. Η υψηλή θερμική πυκνότητα καθορίζει την οικονομική βιωσιμότητα- σκοπιμότητα του έργου τηλεθέρμανσης, αφού το δίκτυο διανομής απορροφά μεγάλα κεφάλαια. Τα τρία μέρη, λοιπόν, (γεωεναλλάκτης-αντλία θερμότητας-σύστημα μεταφοράς και διασποράς) απαρτίζουν όλα τα συστήματα (τεχνολογίες) χρήσης της αβαθούς γεωθερμικής ενέργειας. Οι τεχνολογίες εφαρμογής διαφέρουν μεταξύ τους στις επιμέρους διαφοροποιήσεις των τμημάτων αυτών, όπως χρήση διαφόρων τύπων αντλίας θερμότητας, διαφορετικό σύστημα γεωεναλλάκτη (ανοικτό ή κλειστό σύστημα, ρηχότερες ή βαθύτερες γεωτρήσεις, οριζόντια ή κατακόρυφη ανάπτυξη), διαφορετικό σύστημα διασποράς της θερμότητας στο κτίριο (επιδαπέδιο, επιτοίχιο, με θερμαντικά σώματα) κλπ. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι υλοποίησης (τοποθέτησης) του γεωεναλλάκτη [Καραμάνης, 2005]: Οριζόντιο κλειστό κύκλωμα, το οποίο εφαρμόζεται σε περιπτώσεις με αρκετό διαθέσιμο ελεύθερο οριζόντιο χώρο (επιφάνεια) 30

37 Κατακόρυφο κλειστό κύκλωμα, το οποίο πλεονεκτεί όταν έχουμε περιορισμένη διαθέσιμη επιφάνεια και αποτελεί τη συνηθέστερη και ίσως και τη μοναδική επιλογή στις περιπτώσεις κτιρίων εντός πόλεων, όπου τα κτίρια έχουν περιορισμένο διαθέσιμο χώρο γύρω τους Οριζόντιο κύκλωμα σε λίμνη ή θάλασσα, όπου η τοποθέτηση του εναλλάκτη γίνεται μέσα στον πυθμένα γειτονικής λίμνης ή θάλασσας (όταν βέβαια αυτές βρίσκονται σε μικρή απόσταση). Η διάταξη αυτή είναι ιδιαιτέρως οικονομική διότι απαλείφεται το κόστος εκσκαφής Ανοικτό κύκλωμα το οποίο εκμεταλλεύεται τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα ως άμεση πηγή ενέργειας. Σε ιδανικές συνθήκες αποτελεί το πιο οικονομικό σύστημα. Μοναδικό πρόβλημα στην περίπτωση αυτή είναι η διάθεση του νερού μετά την χρήση Παράδειγμα από τον Ελληνικό χώρο Δημαρχείο Πυλαίας Θεσσαλονίκης Η μελέτη και η κατασκευή του συστήματος έγινε από τον Ενεργειακό Τομέα του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ σε συνεργασία με τις εταιρίες ΓΕΩΕΡΕΥΝΑ ΟΕ και ΠΟΣΕΙΔΩΝ ΑΕ. Αποτελείται από το «πρίσμα» της γης κάτω από τον πεζόδρομο, εμπρός από το νέο Δημαρχείο Πυλαίας, το οποίο εγκαινιάσθηκε το Σεπτέμβριο του Η χρησιμοποιούμενη επιφάνεια του έργου ισούται με 450m 2 (15*30m), βάθους 80m και συνολικού όγκου 36000m 3. Αποτελείται από 21 «τυφλές» γεωτρήσεις βάθους 80m, σε κάνναβο 4,5m*4,5m και διαμέτρου 160mm. Στις γεωτρήσεις τοποθετήθηκε αγωγός πολυαιθυλενίου μέσης πυκνότητας (PE-MD) διαμέτρου 40mm σχήματος U και στη συνέχεια έγινε έγχυση τσιμεντοκονιάματος (95% τσιμέντο-5% μπετονίτης) προκειμένου να εξασφαλισθεί η θερμική αγωγιμότητα μεταξύ των σωλήνων και του περιβάλλοντος υπεδάφους, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα και την προστασία του πλαστικού αγωγού. Το συνολικό μήκος σωληνώσεων είναι 3500m περίπου. Στο πρωτεύον αυτό κύκλωμα του γεωεναλλάκτη κυκλοφορεί αποσκληρυμένο νερό και τροφοδοτεί τις ανλίες θερμότητας. Η κυκλοφορία του νερού στις γεωτρήσεις εξασφαλίζεται μέσω αντλίας-κυκλοφορητή. Το δευτερεύον κύκλωμα των αντλιών θερμότητας τροφοδοτεί τοπικούς εναλλάκτες αέρος-νερού (fancoils), οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στους προς κλιματισμό χώρους του κτιρίου. Ο Γεωεναλλάκτης Πυλαίας τέθηκε σε λειτουργία το Σεπτέμβριο του 2002 και είναι σε θέση να προσφέρει ενέργεια για θέρμανση και ψύξη του κτιρίου του Νέου 31

38 Δημαρχείου, το οποίο έχει συνολικό εμβαδό 2500m 2 (συνολικός όγκος 7500m 3 ). Οι χώροι του κτιρίου υοδιαιρούνται σε 7 ζώνες θερμοκρασίας και για τον κλιματισμό χρησιμοποιείται συγκρότημα αντλιών θερμότητας νερού-νερού. 3.4 Γεωθερμική Αντλία Θερμότητας Εισαγωγή Οι αντλίες θερμότητας, όντας συζευγμένες με τη Γη, αξιοποιούν τα γεωθερμικά πεδία και πιο συγκεκριμένα αυτά των χαμηλής ενθαλπίας. Εξαιτίας, λοιπόν, αυτής της τεχνολογίας που παρέχουν, αποκαλούνται ως Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας (Geothermal Heat Pumps, GHP) και Εδαφικής-Πηγής (Ground Source) Αντλίες Θερμότητας (GSHP). Ο πρώτος όρος χρησιμοποιείται από την αγορά και ο δεύτερος από το μηχανολογικό και τεχνολογικό τομέα. Η εκμετάλλευση των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής ενθαλπίας από τις αντλίες θερμότητας ξεκίνησε περίπου από το 1980, λόγω της αύξησης της τιμής του πετρελαίου. Μέρι σήμερα, βέβαια, έχει τεθεί προς εφαρμογή ένας σημαντικός αριθμός τέτοιων εγκαταστάσεων. Η χρήση της αντλίας θερμότητας παρέχει τη δυνατότητα αξιοποίησης τόσο της γεωθερμικής ενέργειας που προέρχεται από την κανονική γεωθερμική βαθμίδα, όσο και αυτής που προέρχεται από ελαφρά αυξημένη γεωθερμική βαθμίδα. Το βασικό τους χαρακτηριστικό, όμως, είναι η δυνατότητα εκμετάλλευσης με οικονομικό όφελος ακόμη και των χαμηλών υπεδαφικών θερμοκρασιών, της τάξης των 8-10 ο C. Η αντλία θερμότητας ουσιαστικά λειτουργεί, αντλώντας θερμότητα από ένα σημείο και προσδίδοντάς την ενισχυμένη προς χρήση από οποιαδήποτε άλλη εγκατάσταση. Στην περίπτωση της αβαθούς γεωθερμίας, η θερμότητα μεταφέρεται από το υπέδαφος στη μονάδα και αναβαθμίζεται σε θερμοκρασία θέρμανσης ή υποβαθμίζεται σε θερμοκρασία ψύξης. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη χειμερινή περίοδο, αφαιρείται θερμότητα από το υπέδαφος, το οποίο ψύχεται και γίνεται αποθήκη ψυκτικής ενέργειας, ενώ, αντίθετα, κατά τη θερινή περίοδο, η αντλία θερμότητας απομακρύνει τη θερμότητα από τον εσωτερικό χώρο της μονάδας και τη μεταφέρει στο υπέδαφος, το οποίο μετατρέπεται σε αποθήκη θερμικής ενέργειας για επαναχρησιμοποίηση. Συνεπώς, η ΓΑΘ αποτελεί το μέσο της ενεργειακής σύζευξης του υπεδάφους με την εκάστοτε μονάδα, κατά την οποία μετακινείται θερμότητα στη διάρκεια του έτους εναλλάξ, για θέρμανση ή για ψύξη, ανάλογα με τις ανάγκες. Οι απώλειες θερμότητας, λόγω αυτής της λειτουργίας, αναπληρώνονται από την ανεξάντλητη γεωθερμική ροή από το εσωτερικό της γης προς την επιφάνεια. 32

39 Κάνοντας μια απλή σύγκριση με την καθημερινότητα, αντιλαμβανόμαστε ότι η λειτουργία της αντλίας θερμότητας είναι παρόμοια με αυτή του ψυγείου, με τη διαφορά ότι αυτή χρησιμοποιείται συνηθέστερα για θέρμανση, παρά για ψύξη. Επιπλέον, στην κατηγορία των αντλιών θερμότητας συγκαταλέγονται τα διαφόρων τύπου air-conditions, τα οποία το χειμώνα, μέσω μιας ηλεκτρικής αντίστασης, θερμαίνουν τους αντίστοιχους χώρους, ενώ το καλοκαίρι, δουλεύοντας με την αντίθετη φορά, χωρίς την αντίσταση, ψύχουν τους ίδιους χώρους. Αυτές οι εγκαταστάσεις κλιματισμού χώρων κατανέμονται σε διάφορους τύπους, όπως εγκαταστάσεις μόνο με αέρα, αέρα-νερού, νερού-νερού κλπ. Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μια ραγδαία αύξηση της εγκατάστασης μονάδων κλιματισμού αέρα-αέρα, με αποτέλεσμα η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για το σκοπό αυτό να αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο ποσοστό (40%) επί της συνολικής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ολοένα αυξανόμενη ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων και κατ επέκταση την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου, που σε ισοδύναμους τόνους CO 2 τείνει να ξεπεράσει και την αντίστοιχα προκαλούμενη από βιομηχανικές δραστηριότητες. Συνεπώς, τα γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης-ψύξης και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης αποτελούν σήμερα μια εναλλακτική λύση φιλική προς το περιβάλλον και με κοστολόγια άκρως ανταγωνιστικά Βασικές αρχές λειτουργίας Οι ψυκτικές μηχανές είναι διατάξεις οι οποίες αφαιρούν θερμότητα από χώρους χαμηλής θερμοκρασίας και την αποδίδουν με τη βοήθεια ενδιάμεσου σώματος σε περιβάλλοντα υψηλότερης θερμοκρασίας. Το ενδιάμεσο σώμα παίρνει ενέργεια από τον ψυχρό χώρο, σε θερμοκρασία χαμηλότερη του περιβάλλοντος χώρου, και την αποδίδει σε χώρο θερμοκρασίας υψηλότερης του ψυχρού χώρου. Η ενέργεια που αποδίδεται στη θερμή πηγή είναι υψηλής ποιότητας, διότι βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία συγκρινόμενη με την πηγή από την οποία αντλήθηκε Οι ψυκτικές μηχανές οι οποίες σχεδιάζονται να λειτουργήσουν εξολοκλήρου για το σκοπό αυτό (αφαίρεση ενέργειας από ψυχρότερο περιβάλλον και απόδοση σε θερμότερο, αντίθετα με τη φυσική θερμοβαθμίδα) λέγονται Θερμαντλίες (Heat Pumps) [Στεργιούδης, 1999]. Η λειτουργία της ψυκτικής μηχανής δε διαφέρει από αυτή της θερμαντλίας. Στην πρώτη περίπτωση αφαιρείται θερμότητα από ένα χώρο Α, με αποτέλεσμα να καταστεί ψυχρότερος από ένα χώρο Β, στον οποίο αποδίδεται η θερμότητα αυτή. Αντίστοιχα, η αντλία θερμότητας θερμαίνει το χώρο Β, αφαιρώντας θερμότητα από το χώρο Α, ο οποίος, όμως, βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Αντιλαμβανόμαστε, 33

40 βέβαια, ότι, μέσω της αντλίας θερμότητας, οι δύο λειτουργίες μπορούν να συνδυασθούν, εφόσον αυτό είναι επιδιωκόμενο. Γενικώς, είναι γνωστό ότι η φυσική μεταφορά της θερμότητας ορίζεται από τα θερμά σώματα προς τα ψυχρά. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση αντίστροφης πορείας απαιτείται η ύπαρξη συγκεκριμένων τεχνικών συνθηκών για την επίτευξη της. Η λειτουργία, λοιπόν, αυτών των διατάξεων βασίζεται στις μεταβολές φυσικών σταθερών (σημείο ζέσεως, σημείο εξαερώσεως) των ρευστών σε συνάρτηση με τη μεταβολή κυρίως της πίεσης. Αυτό επιτυγχάνεται όταν το ενδιάμεσο σώμα μπορεί να βρεθεί σε αέρια κατάσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες σε αντίθεση με την κανονική του κατάσταση και στη συνέχεια να μπορεί να υπάρξει σαν υγρό σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου κάτω από κανονικές συνθήκες πίεσης θα ήταν αέριο. Πιο συγκεκριμένα, το υγρό ενδιάμεσο σώμα εξατμίζεται σε χαμηλές θερμοκρασίας, αφαιρώντας την προς αυτό απαιτούμενη ενέργεια από τον περιβάλλοντα χώρο και ακολούθως μετατρέπεται πάλι σε υγρό υψηλής θερμοκρασίας, αποδίδοντας την ενέργεια που αφαίρεσε από το ψυχρό χώρο. Η διαδικασία μετατροπής θερμότητας σε έργο, πρέπει να ακολουθεί ένα συνεχόμενο κύκλο, εφόσον είναι τεχνητή και επιδιώκει τη συνεχόμενη παραγωγή έργου. Το σύστημα, δηλαδή, που χρησιμοποιείται πρέπει να επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση μετά από κάποια στάδια μεταβολών. Μ αυτό τον τρόπο λειτουργεί μια θερμική μηχανή, η οποία μέσω κυκλικών μεταβολών, μετατρέπει τη θερμότητα σε έργο. Απαραίτητη προϋπόθεση γι αυτή τη λειτουργία απαιτεί την μετάπτωση του ενδιάμεσου σώματος σε υγρή κατάσταση, ώστε να κλείσει ο θερμοδυναμικός κύκλος. Σε κάθε θερμική μηχανή έχουμε ένα σύστημα το οποίο ύστερα από κάθε κύκλο επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση και επομένως δεν υφίσταται καμία μεταβολή της εσωτερικής του ενέργειας. Έτσι, ενώ το σύστημα κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μηχανής παράγει έργο και απορροφά θερμότητα, ύστερα από την επανάληψη των πολλών κύκλων δε συνεισφέρει στην ενέργεια της μηχανής. Το έργο, σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, κατά τη διαγραφή κύκλου, ισούται με το εμβαδό του κύκλου και είναι η διαφορά του παραγόμενου έργου από το σύστημα και του εκτελούμενο από το περιβάλλον στο σύστημα έργου. Έτσι, η θερμοκρασία Q είναι η διαφορά της απορροφούμενης και της αποδιδόμενης από το σύστημα θερμότητας. Συνεπώς, όλη η θερμότητα που απορροφάται από το σύστημα δεν μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο. Σύμφωνα, λοιπόν, με τα παραπάνω, σε κάθε θερμική μηχανή υπάρχει ένα σύστημα με το οποίο σε κάθε κύκλο διακινούνται τα παρακάτω ποσά ενέργειας: 34

41 Q 1 : η θερμότητα που προσφέρεται στο σύστημα από ένα θερμό χώρο Q 2 : η θερμότητα που αποβάλλει το σύστημα σε ένα ψυχρό χώρο W: το έργο που παράγει η μηχανή Από τα ποσά αυτά, το έργο W αντιπροσωπεύει το ωφέλιμο ποσό ενέργειας ενώ το Q 1, αντιπροσωπεύει τη δαπάνη για να πάρουμε αυτό το έργο. Μια γραφική απεικόνιση της θερμικής μηχανής δίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3.6: πρότυπο θερμικής μηχανής Η μηχανή έχει τρεις διόδους. Από τη μία μπαίνει η απορροφούμενη θερμότητα Q 1 και από τις άλλες δύο βγαίνουν το παραγόμενο έργο W και η αποδιδόμενη θερμότητα Q 2. Η γενική αρχή διατήρησης της ενέργειας εκφράζεται με τη σχέση Q+W=0. Ο συντελεστής απόδοσης της θερμικής μηχανής ορίζεται με το πηλίκο: Ν=W/Q 1 =(Q 1 -Q 2 )/Q 1 =1-Q 2 /Q 1 Από ότι βλέπουμε, ο συντελεστής απόδοσης των θερμικών μηχανών εξαρτάται από το ποσό Q 2. Από μια σειρά μηχανών οι οποίες δουλεύουν όλες με την ίδια δαπάνη θα δώσει περισσότερο έργο εκείνη η οποία αποβάλλει το μικρότερο Q 2. Η καθημερινή εμπειρία μας δείχνει ότι είναι αδύνατο να πάρουμε τόσο ωφέλιμο έργο όσο πληρώνουμε. Πάντοτε υπάρχουν απώλειες και πάντοτε πληρώνουμε περισσότερο από αυτό που παίρνουμε [Καγκέλη, 1999]. Αν θεωρήσουμε πως από τη δίοδο του έργου προσφέρουμε έργο στη μηχανή (εικόνα 3.6) και την βάζουμε να δουλέψει ανάστροφα, η μηχανή αυτή θα διακινεί τα παρακάτω ποσά ενέργειας: Q 1 : η θερμότητα που το σύστημα αποβάλλει στο θερμό χώρο Q 2 : η θερμότητα που προσφέρεται στο σύστημα από το ψυχρό χώρο 35

42 W: το έργο που προσφέρουμε Υπάρχουν δύο προφανείς περιπτώσεις. Η πρώτη είναι να χρησιμοποιήσουμε τη νέα μηχανή για να ψύξουμε χώρο. Οπότε: Ν ψ =Q 2 /W=(Q 1 -W)/W=1/N-1 Στην περίπτωση αυτή συγκαταλέγονται οι ψυκτικές μηχανές (ψυγεία κλπ.) Στη δεύτερη περίπτωση συγκαταλέγεται η μηχανή που έχει ως σκοπό την περαιτέρω θέρμανση του χώρου. Οπότε: Ν θ =Q 1 /W=1/N Η μηχανή αυτή ονομάζεται Αντλία Θερμότητας. Οι παραπάνω μηχανές αποδίδουν τα μέγιστα όταν διαγράφουν το κύκλο του Carnot κατά την αντίστροφη φορά, καθότι ο κύκλος αυτός δίνει τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Πρόκειται για έναν ιδανικό κύκλο λειτουργίας μιας θερμικής μηχανής και έχει το μέγιστο συντελεστή απόδοσης μιας μηχανής που εργάζεται μεταξύ μιας θερμής και μιας ψυχρής δεξαμενής (Ν=1) [Καγκέλη, 1999]. Εικόνα 3.7: Κύκλος Carnot ιδανικού αερίου σε διάγραμμα P-V Θα πρέπει να τονιστεί ότι η λειτουργία ψυκτικής-θερμικής διάταξης απαιτεί απαραιτήτως την ύπαρξη ενδιάμεσου σώματος που διαγράφει αντίστροφο θερμοδυναμικό κύκλο. Αν, για παράδειγμα, εξετάσουμε το νερό ως το ενδιάμεσο σώμα στη λειτουργία μιας τέτοιας διάταξης, τότε για την ευκολότερη κατανόηση της λειτουργίας της αναφέρονται τα παρακάτω: Είναι γνωστό πως το νερό βρίσκεται σε υγρή κατάσταση από 0 ο C μέχρι 100 ο C (κατάσταση ισορροπίας σε κανονικές συνθήκες πίεσης). Αν όμως κατέβει η πίεση σε χαμηλές τιμές, τότε το νερό μπορεί να εξατμιστεί ακόμη και σε θερμοκρασίες κοντά στους 0 ο C. Κατά τον ίδιο τρόπο το νερό μπορεί να υπάρξει σε υγρή κατάσταση μέχρι τους 374 ο C, εάν η πίεση του αυξηθεί πολύ (218,3 ατμόσφαιρες) [Καγκέλη, 1999]. 36

43 Συνηθέστερα στις ψυκτικές μηχανές κυρίως, αλλά και στις θερμαντλίες χρησιμοποιούνται ψυκτικά σώματα τα οποία εμφανίζουν σειρά προδιαγραφών τέτοιων, που το νερό δεν τις καλύπτει. Ουσιαστικά όλες οι ΓΑΘ χρησιμοποιούν το R-22, ένα HCFC. Χημικά το R-22 είναι ένα χλωροφθωρομεθάνιο. Το συγκεκριμένο δεν προκαλεί καταστροφή του προστατευτικού στρώματος του όζοντος, όπως τα R-11 και R-12. Είναι αβλαβές και φιλικό προς το περιβάλλον, ενώ δεν έχουν αναφερθεί ή παρουσιαστεί προβλήματα υγείας ή ασφάλειας λόγω χρήσης του. Το R-22 ανήκει στην κατηγορία Α1 από την άποψη ασφάλειας στα Αμερικάνικα Διεθνή στάνταρ (ANSI/ASHRAE ). Η τοξικότητα της ομάδας Α υποδεικνύει πως δεν υάρχει ουσιαστικά τοξικότητα σε συγκεντρώσεις μικρότερες ή ίσες του 4ppm, ενώ η ομάδα 1 υποδεικνύει την αδυναμία της αναπαραγωγής φλόγας. Το ψυκτικό R-22 δεν έχει προδιαγραφές σταδιακής απόσυρσης, όπως συμβαίνει με άλλα [Τσίγκας, 1998]. Όμως, όπως και κάθε ψυκτικό, πρέπει να χρησιμοποιείται προσεκτικά και να μη διασκορπίζεται στην ατμόσφαιρα. Όλοι οι εξοπλισμοί που χρησιμοποιούν αυτού του είδους τις ουσίες πρέπει να συντηρούνται κατάλληλα. Το ψυκτικό υγρό (ενδιάμεσο σώμα), λοιπόν, όπως ήδη αναφέρθηκε, χρησιμεύει για την απορρόφηση της θερμότητας από κάποιο χώρο και την απόδοση της σε άλλον. Τα ψυκτικά υγρά, βέβαια, πρέπει να πληρούν ορισμένες προδιαγραφές [Στεργιούδης, 1998]: Να εξατμίζονται υπό πίεση κάτω της ατμοσφαιρικής, ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες και να υγροποιούνται σε σχετικά χαμηλές πιέσεις. Η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισής τους πρέπει να είναι μεγάλη και η μάζα ροής μικρή. Η κρίσιμη θερμοκρασία να είναι ψηλή και ο βαθμός συμπύκνωσης χαμηλός. Να μην είναι εύφλεκτα, εκρηκτικά και βλαβερά για την υγεία του ανθρώπου. Το κόστος παραγωγής να είναι χαμηλό. Να είναι χημικώς σταθερά και να μην διαλύονται σε θερμοκρασίες λειτουργίας. Να μην επιδρούν στο λάδι λύπανσης των συμπιεστών. Να μην είναι διαβρωτικά. Να ανιχνεύονται εύκολα σε περίπτωση διαρροής Λειτουργία αντλίας θερμότητας Όπως έχει προαναφερθεί το σύστημα γεωκλιματισμού αποτελείται από: 37

44 το τμήμα του Γεωθερμικού Εναλλάκτη, το οποίο αποτελεί ένα κύκλωμα, είναι δηλαδή «σωλήνας» τοποθετημένος σε γεώτρηση που τροφοδοτεί την αντλία θερμότητας με νερό ή άλλο κατάλληλο διάλυμα σταθερής θερμοκρασίας. το τμήμα της αντλίας θερμότητας. το τμήμα θέρμανσης-ψύξης των χώρων με κλιματιστικά σώματα (fancoils), boiler κτλ. Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετηθεί πως η διεργασία εξάτμισης και συμπύκνσωσης ενός ψυκτικού μέσου μπορεί να μεταφέρει θερμότητα. Ως παράδειγμα θα χρησιμοποιηθεί μια αντλία θερμότητας νερού-νερού ή οποία αποτελείται από 4 στοιχεία, τον εξατμιστή, τον συμπιεστή, τον συμπυκνωτή και το στοιχείο εκτόνωσης. Μέσα σ αυτό κυκλοφορεί ένα ψυκτικό υγρό (refrigerant),ας υποθέσουμε το R-12, το οποίο ζέει μεταξύ 4 ο C και 10 ο C σε σχέση με το νερό το οποίο έχει σημείο βρασμού τους 100 ο C. Το υγρό αυτό έχει την ιδιότητα να εξατμίζεται και να υγροποιείται εύκολα. Όταν εξατμίζεται ψύχει και όταν υγροποιείται θερμαίνει. Παρακάτω παρατίθεται μια γενική γραφική απεικόνιση του τρόπου λειτουργίας μίας αντλίας θερμότητας [Παπαγεωργάκης, 1993]. Εικόνα 3.8: γραφική απεικόνηση του τρόπυο λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας Γενικώς, η αντλία θερμότητας μπορεί να είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να αντιστρέφει την ψυκτική και θερμαντική λειτουργία, επιτρέποντας τη χρήση της ίδιας συσκευής για ψύξη και θέρμανση. 38

45 Λειτουργία θέρμανσης Το νερό ως φορέας θερμότητας του γεωθερμικού εναλλάκτη εισέρχεται στην αντλία θερμότητας με θερμοκρασία περίπου 15 ο C. Κατά την είσοδο του, περνά από τον εξατμιστή, όπου προκαλεί την εξάτμιση του φρέον. Μέσω της εξάτμισης, ψύχεται κατά 5 o -6 ο C και επιστρέφει στο γεωθερμικό εναλλάκτη, όπου θερμαίνεται ξανά στους 15 ο C, διαρρέοντας τον. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται, μεταφέροντας θερμότητα συνεχώς από το υπέδαφος στον εξατμιστή. Το εξαερωμένο, πλέον, φρέον μεταφέρεται από τον εξατμιστή προς τον συμπιεστή, όπου συμπιέζεται και κατόπιν στο συμπυκνωτή, όπου υγροποιείται αποδίδοντας θερμότητα (η υγροποίηση του φρέον θερμαίνει) στο νερό του κυκλώματος θέρμανσης, ανεβάζοντας τη θερμοκρασία του στους 50 ο -55 ο C. Στη συνέχεια, το υγροποιημένο φρέον περνά από το σημείο εκτόνωσης, όπου κατόπιν αποσυμπίεσης, αποκτά την αρχική του ιδιότητα και είναι έτοιμο να υποστεί εξάτμιση κατά την εκ νέου επαφή με το νερό του γεωθερμικού εναλλάκτη στον εξατμιστήρα. Ουσιαστικά, η αρχική θερμοκρασία εισαγωγής του νερού του γεωθερμικού εναλλάκτη (15 ο C), μέσω του φρέον και του συμπιεστή μετατρέπεται σε θερμοκρασία 50 ο -55 ο C, ικανή για τη θέρμανση μιας μονάδας. Λειτουργία ψύξης Κατά τη λειτουργία αυτή ακολουθείται αντίστροφη διαδικασία. Το νερό του κυκλώματος ψύξης περνά από τον εξατμιστή, ψύχεται και τροφοδοτεί τα κλιματιστικά σώματα (fan coils) με κρύο νερό. Περνώντας, ξανά από τα δωμάτια, θερμαίνεται και επανέρχεται στον εξατμιστή για να ξαναψυχθεί. Αντίστοιχα, το εξαερωμένο φρέον μεταφέρεται στο συμπιεστή και κατόπιν στο συμπυκνωτή, όπου υγροποιείται και αποδίδει θερμότητα, θερμαίνοντας το νερό του γεωθερμικού εναλλάκτη στους 30 ο -40 ο C, το οποίο επιστρέφει στο γεωθερμικό εναλλάκτη και ψύχεται. Το νερό του γεωθερμικού εναλλάκτη επιστρέφει στο συμπυκνωτή και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Μέσω της λειτουργίας ψύξης, δηλαδή, το νερό του κυκλώματος ψύξης μεταφέρει τη θερμότητα από τη μονάδα στο κύκλωμα του φρέον. Κατόπιν, παραλαμβάνεται από το νερό του γεωθερμικού εναλλάκτη και απορρίπτεται στο υπέδαφος. Μια επιπλέον προοπτική στη λειτουργία των αντλιών θερμότητας για ψύξη μπορεί να δώσει η χρήση θαλασσινού νερού για το σκοπό αυτό. Η τεχνική βασίζεται στη χρήση του θαλασσινού νερού ως νερού μετάψυξης ενός υδρόψυκτου συστήματος ψύξης. Πρακτικά, το θαλασσινό νερό αντικαθιστά το νερό από τους πύργους ψύξης και οι πύργοι αντικαθίστανται με ένα πηγάδι αναρρόφησης νερού και ένα πηγάδι/γεώτρηση επιστροφής του νερού. Το μεγάλο πλεονέκτημα της σταθερής θερμοκρασίας του νερού μετάψυξης στους ο C αυξάνει την απόδοση του 39

46 συστήματος ψύξης προκαλώντας σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα είναι εντελώς ανεξάρτητο από την εξωτερική θερμοκρασία. Η επένδυση σε εξοπλισμό είναι παρεμφερής και ίσως οικονομικότερη σε σχέση με τα αερόψυκτα συστήματα με εξαίρεση το κομμάτι της αναρρόφησης και επιστροφής του θαλασσινού νερού από και προς τον ψύκτη που χρειάζεται ειδικό σχεδιασμό και ειδικά υλικά για να είναι αξιόπιστο, το οποίο βέβαια αποτελεί ένα σημαντικό μέρος της επένδυσης [Υφαντής, 2009]. Λειτουργία παραγωγής ζεστού νερού Μια πολύ σημαντική λειτουργία της γεωθερμικής εγκατάστασης είναι ότι καθ όλη τη διάρκεια του έτους μπορεί να παρέχει την εκάστοτε μονάδα με ζεστό νερό χρήσης. Αυτό ουσιαστικά επιτυγχάνεται μέσω της λειτουργίας του συμπυκνωτή, ο οποίος κατά την υγροποίηση του φρέον παρέχει ζεστό νερό στο κύκλωμα της αντλίας θερμότητας. Με τη χρήση, λοιπόν, ενός εναλλάκτη θερμότητας είναι δυνατή η μεταφορά της θερμότητας αυτής στο νερό του boiler, το οποίο στη συνέχεια διοχετεύεται στο δίκτυο ζεστού νερού της μονάδας. Αξίζει να τονιστεί ότι κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, όταν υπάρχει ανάγκη τόσο για δροσισμό όσο και για ζεστό νερό, γίνεται συμπαραγωγή ψύξης και ζεστού νερού. Συνεπώς, η εγκατάσταση εξυπηρετεί δύο χρήσεις με υψηλό συντελεστή απόδοσης Συντελεστής απόδοσης Ως συντελεστής (βαθμός) απόδοσης μιας θερμικής μηχανής, όπως έχει ήδη οριστεί, είναι ο λόγος του ωφέλιμου μηχανικού έργου W, προς τη συνολική θερμότητα που δαπανήθηκε. Τόσο στο ψυγείο, όσο και στην αντλία θερμότητας, το έργο W είναι συνήθως η ηλεκτρική ενέργεια που δαπανούμε. Η απόδοση των αντλιών θερμότητας είναι της τάξης του 4:1 κατά μέσο όρο, για τη χρήση το χειμώνα (θέρμανση) και ίσως διαφέρει λίγο κατά το καλοκαίρι (5:1 για ψύξη). Δηλαδή, με κατανάλωση 1KWh ηλεκτρικού ρεύματος παράγονται 4 KWh θερμικής ή ψυκτικής ενέργειας. Στις τόσο διαδεδομένες σήμερα στη χώρα μας συμβατικές κλιματιστικές εγκαταστάσεις, που είναι συζευγμένες με αέρα, ο συντελεστής αυτός φτάνει κατά το μέγιστο στο μισό αυτού των αντλιών θερμότητας και έτσι εξηγείται η μεγάλη επιβάρυνση του δικτύου της ΔΕΗ από τη λειτουργία τους. Θα θεωρήσουμε μια γεώτρηση βάθους μέχρι 100m, η οποία έχει σταθερή παροχή 20m 3 /h νερού. Εάν το νερό αυτής βρίσκεται στους 18 ο C και ψυχθεί κατά 5 ο C οδηγούμενο σε αντλία θερμότητας, θα μας δώσει θερμική ενέργεια. Με τη μείωση αυτής της θερμοκρασίας νερού (Δτ=18-13=5 ο C) η αντλία θερμότητας θα έχει παραλάβει θερμική ενέργεια ίση: 40

47 20.000lit/h * 5 ο C= Kcal/h=418400kJ/h που αντιστοιχεί σε θερμική ισχύ της τάξης των 116KWt. Με συντελεστή απόδοσης (C.O.P.: Coefficient Of Performance) ίσον με 4:1, η αντλία θερμότητας θα αποδώσει ζεστό νερόθερμοκρασίας 45/50 ο C για θέρμανση και θα ισχύει Q cond : C.O.P.=Q cond /W inp =Q cond /Q cond -Q evap όπου Q cond η ενέργεια του συμπυκνωτή W inp η εισαγόμενη ενέργεια Q evap η ενέργεια του εξατμιστή Άρα: 4=Q cond /Q cond =557866,67κ=kJ/h και W inp = kJ/h Συνεπώς η αποδιδόμενη ισχύς για θέρμανση με Δτ=5 ο C θα είναι Q cond =155KWt, η αντίστοιχη καταναλισκόμενη ισχύς για την αντλία θερμότητας θα είναι W inp =39KWe. Το ίδιο υπόγειο νερό μπορεί το καλοκαίρι να αποδώσει ψυκτική ενέργεια με αντιστροφή του κυκλώματος της αντλίας θερμότητας. Επιπλέον, πρέπει να σημειωθεί ότι όταν αναφερόμαστε στην απόδοση των αντλιών θερμότητας για κάποια συγκεκριμένη εφαρμογή, είναι αναγκαίο να λαμβάνουμε υπ όψιν μας το θερμοκρασιακό έλλειμμα που συμβαίνει στον γεωθερμικό εναλλάκτη [Φύτικας, 1998] Καταστάσεις ψυκτικού σώματος Για καλύτερη λειτουργία ψυκτικής διάταξης, κυρίως για πλήρη εκμετάλλευση της λανθάνουσας θερμότητας εξαερώσεως του ψυκτικού ρευστού, ο ατμός πρέπει να εξέρχεται από τον εξαερωτήρα σε κατάσταση κορεσμού και να είναι ξηρός. Επιπλέον, όταν αρχίζει η διαδικασία συμπίεσης, το ψυκτικό σώμα πρέπει να υπερθερμαίνεται για να αποφευχθεί τυχόν μεταφορά υγρού στον συμπιεστή, όπου υπάρχει κίνδυνος ανάμιξης με το λιπαντικό. Είναι εύκολα κατανοητό ότι η υπερθέρμανση γίνεται σε τέτοιο ποσό, ώστε να μην τίθενται σοβαρά εμπόδια ούτε στη λειτουργία του συμπιεστή, αλλά ούτε να επιβραδύνει τη συμπύκνωση του ατμού στο επόμενο στάδιο. Επίσης, είναι ευνόητο ότι πέρα από θεωρητικούς υπολογισμούς, έχει σημασία να γνωρίζουμε μερικά κρίσιμα χαρακτηριστικά των ψυκτικών διατάξεων. Έτσι, είναι απαραίτητη και πολύ σημαντική παράμετρος, η γνώση του ποσού της θερμότητας η 41

48 οποία πρέπει να απομακρυνθεί ανά λεπτό από την πηγή. Με άλλα λόγια πρέπει να είναι γνωστός ο ρυθμός ψύξεως. Σαν μονάδα ψύξεως (στην ελληνική βιβλιογραφία αναφέρεται και σαν ικανότητα ψύξεως) λαμβάνεται ο Αγγλοσαξονικός τόνος, ο οποίος ορίζεται ως ο ρυθμός μεταφοράς 200Btu/min (50.400cal/min περίπου). Η μονάδα αυτή αντιστοιχεί στο ρυθμό πήξεως 907,2kg (2000LB) πάγου 0 ο C σε χρονικό διάστημα 24 ωρών. Ανάλογα με το ρυθμό απομάκρυνσης της θερμότητας από τον ψυκτικό θάλαμο, ρυθμίζεται η ροή της μάζας του ψυκτικού σώματος για τα δεδομένα χαρακτηριστικά κάθε ψυκτικού σώματος και κάτω από ειδικές συνθήκες. Σαν ροή μάζας του ψυκτικού σώματος ορίζεται: Ροή Μάζας Ψυκτικού= Μονάδα ψύξεως (200Btu/min) / Απορροφούμενο ποσό θερμότητας ανά lb Σε περίπτωση χρησιμοποίησης Kcal αντί Btu και gr αντί lb η σχέση μετατρέπεται σε: Ροή Μάζας Ψυκτικού= Μονάδα Ψύξεως (50.400cal/min) / Απορροφούμενο ποσό θερμότητας ανά gr Ως γνωστό 200Btu/min = cal/min. Στην περίπτωση που απαιτείται μεγάλη ακρίβεια, οι υπολογισμοί πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το μέγεθος της ακρίβειας που χρειάζονται κάθε φορά. Εξετάζοντας, βέβαια, και την ιδιότητα των αερίων, εύκολα καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι σαν ψυκτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αέρια σώματα, αν και υστερούν έναντι των υγροποιημένων ατμών. Κατά τη διαδρομή του κύκλου το αέριο δεν προσλαμβάνει ούτε αποβάλλει θερμότητα σε σταθερή θερμοκρασία. Αυτό αποτελεί ένα σοβαρό μειονέκτημα με τελικό αντίκτυπο στην απόδοση της διάταξης. Η απόδοση του κύκλου μειώνεται σημαντικά στην περίπτωση χρησιμοποίησης αερίου, ενώ παράλληλα ο όγκος του ψυκτικού γίνεται μεγάλος και αυτό απαιτεί μεγάλες επιφάνειες για τη μεταφορά θερμότητας. Η χρησιμοποίηση αερίου ψυκτικού σώματος γίνεται συμφέρουσα, όταν η ψυκτική διάταξη χρησιμοποιεί αέρα, τόσο σαν ψυκτικό μέσο αλλά και σαν μέσο μεταφοράς του θερμικού αποτελέσματος στο χώρο που πρόκειται να ψυχθεί. Μεγάλο, όμως, πλεονέκτημα είναι η χωρίς κινδύνους χρησιμοποίηση τους και η οικολογική τους καθαρότητα. Αργότερα, οι συνθήκες λειτουργίας βελτιώθηκαν και σήμερα με τη χρησιμοποίηση ειδικών συμπιεστών και εκτονωτών, ο όγκος των διατάξεων αυτών συνεχώς μικραίνει και η απόδοση τους βελτιώνεται. 42

49 Για να υγροποιηθεί αέριο, πρέπει η θερμοκρασία του να κατέλθει κάτω από την κρίσιμη τιμή της. Υγροποίηση μπορεί να επιτευχθεί, βεβαίως, και δια απλής μεταβολής της πίεσης και θερμοκρασίας. Αυτό είναι συμβατό και εύκολα επιτευκτό για ορισμένους υδρογονάνθρακες, οι οποίοι δεν απαιτούν μεγάλες τιμές πίεσης. Καθίσταται, όμως, εξαιρετικά δύσκολο για άλλα αέρια, όπως η αμμωνία, το άζωτο κτλ. [Στεργιούδης, 1998] Πίνακας 3.3: τιμές κρίσιμης θερμοκρασίας και πίεσης διαφόρων στοιχείων Ψυκτικό σώμα Κρίσιμη θερμοκρασία ( ο C) Κρίσιμη πίεση (atm) Αμμωνία (ΝΗ3) 132,4 112 Διοξείδιο του Θείου (SO2) 157,1 77 Freon Freon CH3CL CO Κύριοι τύποι αντλιών θερμότητας Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι συστημάτων αντλιών θερμότητας: Σύστημα ανοικτού κυκλώματος (open-loop system) Σύστημα κλειστού κυκλώματος (closed-loop system) Σύστημα Ανοικτού Κυκλώματος Ο όρος σύστημα ανοικτού κυκλώματος χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει ένα σύστημα γεωθερμικής αντλίας θερμότητας, το οποίο χρησιμοποιεί υπεδαφικό νερό από ένα συμβατικό φρεάτιο σαν πηγή (φορέα) θερμότητας. Ο τύπος αυτός κυκλώματος είναι εγκατεστημένος μεταξύ του φρεατίου, από το οποίο το νερό αντλείται στη μονάδα θερμικής αντλίας, και μιας περιοχής στην οποία επαναδιοχετεύουμε το νερό το οποίο έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει (γεώτρηση επανεισαγωγής, λίμνη, ρυάκι, κτλ.). Στη συσκευή της θερμαντλίας εκμεταλλευόμαστε τη θερμοκρασία του υπεδαφικού νερού. Από τη στιγμή που το υπεδαφικό νερό έχει σχετικά σταθερή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια του χρόνου (όπως έχει ήδη αναφερθεί), αποτελεί μια κατάλληλη πηγή θερμότητας. Αφού έχει χρησιμοποιηθεί το νερό ή καλύτερα η θερμότητα αυτού, υποβαθμισμένο πλέον επιστρέφει είτε στην πηγή από την οποία αντλήθηκε, είτε σε μια άλλη κατάλληλη τοποθεσία (ποτάμι, λίμνη κλπ.). Συνηθέστερη περίπτωση είναι αυτή κατά την οποία το νερό που χρησιμοποιείται προέρχεται από μια γεώτρηση η οποία συναντά τον υπόγειο υδροφορέα της περιοχής και μετά τη χρήση του διοχετεύεται μέσω μιας δεύτερης γεώτρησης στο υπεδάφιο στρώμα από το οποίο αντλήθηκε. Οι σωληνώσεις για αυτά τα συστήματα έχουν ανοικτά άκρα (άκρο εισαγωγής του νερού στην αντλία και άκρο αποφόρτισής του) και το νερό χρησιμοποιείται μόνο μια φορά. 43

50 Το σύστημα ανοικτού κυκλώματος δε χρησιμοποιεί αποκλειστικά μόνο υπεδαφικό νερό. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί, επίσης, και το νερό μιας λίμνης ή ενός ποταμού ή ακόμη και το θαλασσινό νερό. Το σύστημα, όμως, του υπογείου νερού φαίνεται να είναι περισσότερο ικανοποιητικό από οικονομική άποψη. Το νερό το οποίο χρειάζονται οι αντλίες θερμότητας στα ανοικτά συστήματα, διαφέρει και εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας και τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Γενικά, ο μέσος όρος νερού που απαιτείται σε ένα τέτοιο σύστημα είναι περίπου 6-10 gal/min (23-38 lit/min). Ο συνδυασμός του φρέατος και της αντλίας πρέπει να είναι πολύ καλός, ώστε να παρέχει το απαιτούμενο από την θερμαντλία νερό,καθώς επίσης και το νερό χρήσης για τις οικιακές ανάγκες, όπου κρίνεται αυτό επιθυμητό. Ο συγκεκριμένος τύπος συστήματος έχει το πλεονέκτημα της υψηλότερης από άποψη εφοδιασμού νερού απόδοσης, αφού το νερό χρησιμοποιείται στο κύκλωμα μόνο μια φορά και μετά επαναδιοχετεύεται. Επίσης, τα συστήματα ανοικτού κυκλώματος εξασφαλίζουν το θερμοκρασιακά ζεστότερο εισερχόμενο νερό στην αντλία θερμότητας και, συνεπώς, διαθέτουν την καλύτερη λειτουργία από άποψη απόδοσης σε Btu και ικανότητας του συστήματος. Παρ όλα αυτά, υπάρχουν δύο σημαντικά μειονεκτήματα [Καγκέλη, 1999]: Η ποσότητα του νερού πρέπει να ελέγχεται και να αναλύεται προσεκτικά. Το χαμηλής έστω ποιότητας νερό μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα διάβρωσης, απόθεσης αλάτων κτλ. Έτσι, η επεξεργασία αυτού είναι απαραίτητη στην περίπτωση της παρουσίας σουλφιδίων, σιδήρου ή μαγνησίου, ή όταν το ph αυτού βρίσκεται σε χαμηλές τιμές. Το κόστος της άντλησης του νερού μέσω του ανοικτού συστήματος είναι κάπως υψηλότερο, συσχετιζόμενο με το κλειστό σύστημα. 44

51 Εικόνα 3.9: σύστημα ανοικτού κυκλώματος Σύστημα Κλειστού Κυκλώματος Ο όρος κλειστό κύκλωμα (closed-loop system) χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει εκείνο το σύστημα το οποίο αποτελείται από ένα μόνιμο κύκλωμα με ειδικούς τοποθετημένους στο έδαφος πλαστικούς σωλήνες ως εναλλάκτη θερμότητας. Οι σωληνώσεις συνδέονται με το εσωτερικό εγκατεστημένο τμήμα της μονάδας της αντλίας θερμότητας, διαμορφώνοντας έτσι ένα κλειστό υπεδαφικό κύκλωμα, μέσω του οποίου κυκλοφορεί ένα κατάλληλο αντιψυκτικό διάλυμα. Σε αντίθεση με το ανοικτό σύστημα που καταναλώνει νερό από φρεάτιο, στο κλειστό σύστημα επανακυκλοφορεί το διάλυμα που χρησιμοποιείται σαν φορέας θερμότητας, αποσπώντας ή απορρίπτοντας θερμότητα είτε από τη γη, είτε από μια λίμνη, ρυάκι, ποτάμι κτλ. Το διάλυμα αυτό μπορεί ακόμα και να είναι νερό, ενώ η θερμότητα την οποία αποκτάει προέρχεται από τα τοιχώματα των σωληνώσεων που έρχονται σε επαφή με το θερμό υπέδαφος (πετρώματα) ή νερά. Το σύστημα αυτό στην ελληνική βιβλιογραφία αναφέρεται και ως μέθοδος του γεωθερμικού εναλλάκτη. Η ικανότητα των κυκλοφορητών (σωλήνες-νερό) που χρησιμοποιούνται στα κλειστά συστήματα είναι πολύ υψηλή, ενώ το κόστος άντλησης του νερού ή του διαλύματος είναι χαμηλότερο σε σχέση με τα ανοικτά συστήματα. Το κόστος εγκατάστασης της μεθόδου, πάντως, είναι υψηλότερο και πρέπει να ληφθούν υπ όψιν πολλοί παράγοντες πριν την απόφαση της εφαρμογής. Στα συγκεκριμένα συστήματα, η ποιότητα του νερού δεν λαμβάνεται υπ όψιν και η διάβρωση των σωλήνων προλαμβάνεται με τη χρήση ειδικών διαλυμάτων που 45

52 χρησιμοποιούνται σε αυτές. Επιπλέον, τα δύο άκρα των σωληνώσεων του κυκλώματος είναι κλειστά (συνδέονται ανά δύο), σε αντίθεση με τα ανοικτά κυκλώματα. Υπάρχουν αρκετές διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται στα κλειστά κυκλώματα. Οι κυριότεροι αυτών που βρίσκουν εφαρμογή από τη βιομηχανία είναι τα κατακόρυφα και τα οριζόντια συστήματα [Καγκέλη, 1999]. Κατακόρυφα συστήματα κλειστού κυκλώματος Στις κατακόρυφες εγκταστάσεις (vertical-loop), τοποθετούνται σε βαθιές γεωτρήσεις του εδάφους σωλήνες οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι ανά δύο. Αυτό που κάνει τον τύπο αυτό του συστήματος αξιόλογο είναι το γεγονός ότι οι σωλήνες βρίσκονται σε μεγάλο βάθος, με αποτέλεσμα να μένουν ανεπηρέαστοι από τις επιφανειακές θερμοκρασίες και κατ επέκταση το υγρό που κυκλοφορεί σε αυτούς, έτσι ώστε η απόδοση των συστημάτων αυτών να είναι μεγάλη [Καγκέλη, 1999]. Εικόνα 3.10: συστήματα κατακόρυφου κλειστού κυκλώματος Οριζόντια συστήματα κλειστού κυκλώματος Στις οριζόντιες εγκαταστάσεις (horizontal-loop), ανοίγονται επιφανειακές τάφροι και μεγάλης ποικιλίας σωληνώσεις τοποθετούνται σ αυτές. Αν και το κόστος εγκατάστασης τους είναι μικρότερο, τα συστήματα αυτά είναι μικρότερης ικανότητας σε σχέση με τα κατακόρυφα, λόγω της επίδρασης της θερμοκρασίας του αέρα στην επιφάνεια του εδάφους. 46

53 Εικόνα 3.11: συστήματα οριζόντιου κλειστού κυκλώματος Και στις δύο περιπτώσεις τόσο των οριζόντιων, όσο και των κατακόρυφων συστημάτων κλειστού κυκλώματος, τα γήινα κυκλώματα (earth loops) αποτελούνται από πλαστικούς σωλήνες πολυαιθυλενίου (HDPE) που όπως αναφέρθηκε συνδέονται ανά δύο. Το κενό μεταξύ των σωλήνων και των τοιχωμάτων τόσο των γεωτρήσεων, όσο και των φρεατίων πληρώνεται με μίγμα μπεντονίτη-τσιμέντου, ώστε να είναι σίγουρη η καλή μεταφορά θερμότητας από το υπέδαφος στην εγκατάσταση της αντλίας θερμότητας. Τόσο στα συστήματα των κλειστών σωλήνων όσο και των ανοικτών συστημάτων υπάρχει η δυνατότητα χρήσης νερού από επιφανειακή πηγή, όπως οι νερόλακκοι, οι λίμνες, τα ρυάκια, τα ποτάμια κτλ. Τα συστήματα αυτά αναφέρονται ως Lake ή Pondloop και είναι ευκολότερα στην εγκατάσταση τους και φθηνότερα από τα οριζόντια [Καγκέλη, 1999]. 47

54 Εικόνα 3.12: Lake ή Pond κλειστό κύκλωμα Επίσης, υπάρχει και η περίπτωση των υβριδικών συστημάτων. Τα συγκεκριμένα, υπάγονται στα κλειστού κυκλώματος συστήματα και χρησιμοποιούν την τεχνολογία των πύργων ψύξεως ή άλλα μέσα ώστε να απορρίπτουν την περίσσεια θερμότητα κατά τη θέρμανση το χειμώνα στην ατμόσφαιρα. Η περίτωση του πύργου ψύξεως μειώνει το μέγεθος (συνολικό μήκος) των υπεδαφικών κυκλωμάτων και το αρχικό κόστος εγκατάστασης, αυξάνοντας συγχρόνως την απόδοση ψύξεως του συστήματος. Γενικώς, τα συστήματα τα οποία συνδέονται στο υπέδαφος (Ground-couled systems), δημιουργώντας κλειστά κυκλώματα, όπως τα closed-loop, χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τα μέσα της δεκαετίας του 80. Με γενικότερα στοιχεία, τα οριζόντια συστήματα αποτελούν περίπου το μισό των εγκατεστημένων αυτών γεωθερμικών συστημάτων, τα κατακόρυφα το 35%, ενώ τα pond και τα παρεμφερή αυτών πλησιάζουν το 15% [Kevin, 1997]. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν το νερό των υδροφορέων, open-loop συστήματα, χρησιμοποιούνται για μεγαλύτερο διάστημα από τα προηγούμενα και συγκεκριμένα από τις αρχές του Μέσο μεταφοράς της θερμότητας στις αντλίες θερμότητας Το νερό έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει τεράστιες ποσότητες θερμότητας (ειδική θερμότητα ίση με 4200J/Kg* C), εν συγκρίσει με άλλες ουσίες στη φύση. Το γεγονός αυτό το καθιστά ιδανικό μέσο αποθήκευσης θερμότητας τόσο για τα φυσικά, όσο και για τα τεχνητά-ανθρώπινα φαινόμενα [37]. Αντίθετα, ο αέρας έχει πολύ χαμηλή ειδική θερμότητα (1020 J/Kg*K). Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι σε 1 kg νερού μπορεί να αποθηκευτεί 4,12 φορές περισσότερη 48

55 θερμότητα από ότι σε 1 kg αέρα. Αυτό ισοδυναμεί με το γεγονός ότι θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε 3,43 m 3 αέρα (πυκνότητα αέρα στους 20 ο C ίση με 1,2 kg/m 3 ) μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας σε μια αέρα-αέρα αντλία θερμότητας, για να εκθέσουμε τον εναλλάκτη στην ίδια ποσότητα θερμότητας αποθηκευμένη σε m 3 νερού (πυκνότητα νερού 1000 kg/m 3 ). Η κατά μέσο όρο ροή του νερού σε μια ΓΑΘ, λειτουργίας 235Wt, είναι 2 ft 3 /min, ενώ για τη λειτουγία μιας θερμαντλίας 1000Wt με αέρα απαιτούνται προσεγγιστικά 7000ft 3 /min [37]. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας του νερού το καθιστούν ανώτερο του αέρα. Η αγωγιμότητα ως τρόπος μεταφοράς θερμότητας είναι ταχύτερη, πιο ολοκληρωμένη και πιο αποδοτική από ότι η διαβίβαση, η οποία πραγματοποιείται μέσω αέρα. Για παράδειγμα, μια αντλία θερμότητας υπεδαφικού/υπόγειου νερού, όταν αποσπά θερμότητα από κρύο νερό, έχει προσεγγιστικά ίση απόδοση με μία μέσω άερα άντλησης θερμότητας, όταν αυτός βρίσκεται στη θερμοκρασία των 60 ο C. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά των ΓΑΘ, κυρίως αυτών της θέρμανσηςψύξης κτιρίων, είναι ότι η ικανότητα της μονάδας και η ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία της, συσχετίζονται άμεσα με τις θερμοκρασίες μεταξύ των οποίων αυτή λειτουργεί. Διευκρινίζεται πως η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για να αυξήσει τη θερμοκρασία του μέσου μεταφοράς της θερμότητας και όχι για να την παράγει. Στην ορολογία των αντλιών θερμότητας, η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας στην οποία απορροφάται η θερμότητα (θερμοκρασία πηγής) και της θερμοκρασίας στην οποία η θερμότητα παραλαμβάνεται (θερμοκρασία χώρου απόθεσης) αναφέρεται ως lift (ενίσχυση). Όσο μεγαλύτερο είναι το lift, τόσο μεγαλύτερη η εισαγόμενη ενέργεια η οποία απαιτείται από τις ΓΑΘ. Αυτό είναι σημαντικό για το λόγο ότι διαμορφώνει την αρχή του πλεονεκτήματος απόδοσης των αντλιών θερμότητας με πηγή το νερό, έναντι αυτών με πηγή τον αέρα (air source heat pump, ASHP). Μια ASHP (air-source heat pump, αερόψυκτη αντλία θερμότητας), μεταφέρει θερμότητα από το ψυχρό ατμοσφαιρικό αέρα τον χειμώνα και παραδίδει θερμότητα στο θερμό ατμοσφαιρικό αέρα το καλοκαίρι. Σε αντίθεση, οι ΓΑΘ αποσπούν θερμότητα από τα σχετικά ζεστά εδάφη (ή υπόγεια νερά) τον χειμώνα και παραδίδουν θερμότητα στα ίδια σχετικά ψυχρά εδάφη (ή υπόγεια νερά) το καλοκαίρι. Σαν αποτέλεσμα, οι ΓΑΘ, ανεξάρτητα από την εποχή, αντλούν σχεδόν πάντα θερμότητα από σχετικά μικρότερες θερμοκρασιακές διαφορές από ότι οι ASHP. Αυτό οδηγεί στην υψηλότερη απόδοση και τη μικρότερη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Γενικά, τα συστήματα κλιματισμού (θέρμανσης-ψύξης) με αντλία θερμότητας, που ως πηγή θερμότητας χρησιμοποιεί τον περιβάλλοντα αέρα (αέρα-αέρα ή αέρα- 49

56 νερού) παρουσιάζουν σημαντικά μειονεκτήματα σε σχέση με εκείνα που χρησιμοποιούν το νερό και τα οποία μπορούν να κληθούν ως γεωκλιματιστικά (θέρμανση-ψύξη). Τα πλεονεκτήματα του γεωκλιματισμού ή/και γεωθέρμανσης είναι τα εξής [Παπαγεωργάκης, 1993]: Ο βαθμός απόδοσης (COP), δηλαδή η ποσότητα θερμικής ενέργειας που παράγει η γεωθερμική αντλία σε σχέση με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, που καταναλώνει, είναι στην πράξη 3.5 ως 4.0, ενώ στην αντλία θερμότητας με πηγή αέρα είναι κατώτερη του 2.8 εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος, που χρειάζεται για τη λειτουργία του συμπιεστή της αντλίας θερμότητας είναι περίπου κατά 50% μειωμένη. Λειτουργεί χωρίς προβλήματα σε οποιεσδήποτε καιρικές και θερμοκρασιακές συνθήκες περιβάλλοντος, υπό το μηδέν το χειμώνα και πάνω από 40 ο C το καλοκαίρι,διότι η αντλία θερμότητας με πηγή το νερό τροφοδοτείται από το γεωθερμικό εναλλάκτη με νερό αμετάβλητης θερμοκρασίας, ίσης περίπου με αυτή που επικρατεί στο υπέδαφος κάτω από το κτίριο Είδη συμπιεστών στις αντλίες θερμότητας Υπάρχουν διάφορα είδη γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, σχεδιασμένα για ειδικές απαιτήσεις το καθένα. Πολλές ΓΑΘ για παράδειγμα προορίζονται μόνο για λειτουργία με υψηλής θερμοκρασίας υπόγειο νερό, γεγονός που αντιμετωπίζεται συνήθως στα open-loop συστήματα. Άλλα πάλι συστήματα λειτουργούν με χαμηλής θερμοκρασίας νερό, το οποίο πραγματοποιείται κατά κύριο λόγο στα closed-loop κυκλώματα. Τα περισσότερα είναι γεωκλιματιστικά συστήματα, ενώ άλλα μόνο γεωθερμικά, παρέχοντας μόνο θέρμανση, σε αντίθεση με τα πρώτα που λειτουργούν για θέρμανση και ψύξη, ανάλογα με τις απαιτήσεις. Η τεχνολογία σήμερα παρέχει μια μεγάλη ποικιλία αντλιών θερμότητας, τόσο από άποψη δυνατοτήτων όσο και διαμόρφωσης-σχεδιασμού. Στον εμπορικό τομέα, ο εξοπλισμός που διατίθεται έχει δύο βασικές διατάξεις που αναφέρονται κατά κύριο λόγο στον τύπο συμπιεστών: συμπιεστές παλινδρομικής κίνησης (reciprocating) συμπιεστές περιστροφικού τύπου (centrifugal) Οι παλινδρομικής κίνησης μηχανές χρησιμοποιούνται για τις χρήσεις μεγαλύτερων απαιτήσεων, ενώ οι περιστροφικού τύπου για μικρότερες ανάγκες. Η βασική διάκριση μεταξύ των δύο τύπων αναφέρεται στη σχέση αρχικής-τελικής τιμής πίεσης και στη βαθμίδα ροής της μάζας. Οι περιστροφικοί συμπιεστές εμφανίζουν υψηλής βαθμίδας ροής μάζας, αλλά χαμηλή ικανότητα συμπίεσης, σε αντίθεση με 50

57 τους εμβολοφόρους, στους οποίους η σχέση πιέσεων είναι μεγάλη αλλά η βαθμίδα ροής μικρή. Γενικώς, και οι δύο τύποι των συμπιεστών μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν σε μια περιοχή πιέσεων που εκτείνεται από την ατμοσφαιρική μέχρι περίπου 9 kg/cm 2 [Στεργιούδης, 1998]. Η λειτουργία του συμπιεστή συνίσταται, όπως έχει προαναφερθεί, στην αύξηση της πίεσης των ρευστών, από τη μικρότερη, ίση ή μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής, μέχρι μια προκαθορισμένη τιμή πίεσης. Κατά την επιλογή συμπιεστού, εξετάζεται η δυνατότητα επίτευξης του επιδιωκόμενου τελικού σκοπού με κατανάλωση του ελάχιστου δυνατού μηχανικού έργου. Λόγω του είδους του περιστροφικού τύπου συμπιεστή, ο τύπος των αντλιών αυτών είναι λιγότερο ικανός σε υψηλότερες θερμοκρασιακές απαιτήσεις, ενώ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες είναι πιο ικανός απ ότι οι με παλινδρομικής κίνησης μηχανές. Επιπλέον, για μεγαλύτερες τιμές πίεσης, οι περιστροφικοί συμπιεστές μπορεί να χρησιμοποιηθούν βοηθητικά, αλλά όταν απαιτούνται πιέσεις αρκετά υψηλές, πάνω από 100 ατμόσφαιρες, τότε χρησιμοποιούνται αποκλειστικά οι παλινδρομικής κίνησης συμπιεστές. Από άποψη τεχνικών χαρακτηριστικών, και οι δύο τύποι εμφανίζονται σε πολλές και διαφορετικές παραλλαγές. Επίσης, παρουσιάζουν, συγκρινόμενοι, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Γενικότερα, όμως, οι περιστροφικοί είναι συνήθως μικρού μεγέθους, ελαφρότεροι και μηχανικά απλούστεροι από τους παλινδρομικούς. Βέβαια, η προσπάθεια για βελτίωση αυτών των διατάξεων είναι διαρκής, αφού οι συμπιεστές χρησιμοποιούνται όχι μόνο στις διατάξεις των αντλιών θερμότητας, αλλά και σε πλήθος βιομηχανικών εγκαταστάσεων, μηχανικών και οικιακών συσκευών [Καγκέλη, 1999]. 51

58 Εικόνα 3.13: συντελεστής απόδοσης των με παλινδρομικής κίνησης συμπιεστών Εικόνα 3.14: συντελεστής απόδοσης των περιστροφικού τύπου συμπιεστών 52

59 3.4.9 Εκτίμηση απόδοσης Η εκτίμηση της απόδοσης των συστημάτων γεωθερμικών αντλιών θερμότητας είναι ένα από τα πιο περίπλοκα στοιχεία υπολογισμού αυτών καθώς και πολύ χρήσιμα για τη σύγκριση του ίδιου τύπου μονάδων (ΓΑΘ με ΓΑΘ, αέρα-αέρα αντλία θερμότητας με αέρα-αέρα αντλία θερμότητας). Δυστυχώς, η σύγκριση για δύο ανόμοιους τύπους είναι πολύ δύσκολη και δεν επιδιώκεται. Για τις αντλίες θερμότητας με τη χρήση νερού, κατά την ψύξη, η απόδοση εκφράζεται ως Αναλογία Απόδοσης Ενέργειας (Energy Efficiency Ratio-EER). Πρόκειται για την επίδραση ψύξης (ισχύς), η οποία παράγεται από τη μονάδα της θερμαντλίας (σε Btu/h), διαιρούμενη από την εισερχόμενη ισχύ (σε Watts), υπολογιζόμενη σε μονάδες των Btu/Watt. Η ισχύς αυτή, περιλαμβάνει τη λειτουργία των συμπιεστών, των κλιματιστικών και της επιτρεπόμενης άντλησης (του υπόγειου νερού ή του εδαφικού κυκλώματος κτλ.) Εάν είναι γνωστή η ψυκτική ικανότητα της μονάδας, και ο ΕΕR αυτής, η εισερχόμενη ισχύς σε KW μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: Για παράδειγμα, μια θερμαντλία έχει ολική ψυκτική ισχύ ίση με Btu/h, με συντελεστή EER ίσο με 11,4, τότε η καταναλισκόμενη ισχύς θα είναι: ( Btu/h) / (11,4 * 1000)=2,28 KW Για τη θέρμανση, η απόδοση ορίζεται με το Θερμικό Συντελεστή Απόδοσης (Coefficient of Performance- COP). Ο COP είναι η επίδραση θέρμανσης της θερμικής μηχανής (σε Btu/h), διαιρούμενη από την ισχύ, την ισοδύναμη της εισερχόμενης ηλεκτρικής (σε Btu/h) και πρόκειται για έναν καθαρό αριθμό. Όταν είναι γνωστή η θερμική ικανότητα της αντλίας και ο COP αυτής, τότε η εισερχόμενη ισχύς (KW) υπολογίζεται ως εξής: Εάν η μονάδα έχει θερμική ισχύ ίση με Btu/h με COP ίσο με 3,9, τότε η εισερχόμενη ισχύς θα είναι: ( Btu/h) / (3,9 * 3.413)=2,51 KW Τόσο ο COP, όσο και ο EER, ισχύουν ως συντελεστές μόνο για τις συνθήκες λειτουργίας της συγκεκριμένης μονάδας. Εξαρτώνται τόσο από τη θερμοκρασία του εισερχόμενου στην αντλία νερού, όσο και από τη ροή του νερού μέσα στη μονάδα. Η καλύτερη απόδοση, βέβαια, επιτυγχάνεται όταν η ενέργεια που καταναλώνεται από το σύστημα κατά τη λειτουργία του, μειώνεται μέσω ενός προσεχτικού αρχικού σχεδιασμού. Γενικώς, η απόδοση της αντλίας θερμότητας σε ένα κύκλωμα στο οποίο γνωρίζουμε τη ροή του νερού μέσα σ αυτό, είναι κατά μεγάλο βαθμό εξαρτημένη 53

60 από τη θερμοκρασία του νερού που κυκλοφορεί. Η θερμοκρασία του κυκλώματος, κατ επέκταση, επηρεάζεται από την υπεδαφική ροή και θερμοκρασία του νερού σε συνάρτηση με το είδος του εναλλάκτη θερμότητας. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται ορισμένα διαγράμματα, τα οποία παρέχουν πληροφορίες για την επίδραση της ροής του υπόγειου νερού στους EER και COP στα διάφορα βάθη άντλησης, χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα άντλησης το οποίο καταναλώνει ενέργεια των 75 Watts/ton, συνολικής ικανότητας (άντλησης και μηχανικής) 63% και στοιχεία λειτουργίας για μέτριας απόδοσης αντλίας θερμότητας (closed-loop ή groundwater heat pumps) [Kevin, 1997]. Εικόνα 3.15: επίδραση ροής του υπεδαφικού νερού στους συντελεστές COP & EER 54

61 Για τα μικρά βάθη άντλησης, οι καμπύλες των παραστάσεων είναι πιο ομαλές από εκείνες των μεγαλύτερων βαθών, κυρίως στην περίπτωση της θέρμανσης. Παρόλο που υπάρχει ένα καθαρά ευνοϊκό σημείο σε κάθε καμπύλη, σε μερικές περιπτώσεις ίσως είναι ορθότερη η λειτουργία σε ροές πολύ μικρότερες από τις ενδεδειγμένες. Για παράδειγμα, θα θεωρήσουμε ένα σύστημα 300 τόνων με θερμοκρασία νερού στους 60 ο F (=15 ο C), κατά τη λειτουργία ψύξης. Αν υποθέσουμε ότι το νερό αντλείται από τα 200ft (60m), η ευνοϊκότερη ροή θα ήταν περίπου 1.8 gpm/ton, η οποία αντιστοιχεί σε EER του συστήματος ίσο με 13,7. Εάν μειώσουμε τη ροή κατά 30% (1.25 gpm/on), θα αντιστοιχούσε προσεγγιστικά σε EER ίσο με 13,5. Αν και αυτό θα άυξανε το κόστος λειτουργίας του συστήματος, η μειωμένη ροή θα είχε ως αποτέλεσμα το κατά πολύ μικρότερο αρχικό κόστος άντλησης. Επιπλέον, είναι γενικά χρήσιμο να συγκρίνουμε την απόδοση ενός συστήματος χρήσης υπεδαφικού νερού (open-loop) με εκείνο του κλειστού κυκλώματος (closedloop) στην ίδια περιοχή. Η απόδοση των closed-loop συστημάτων επηρεάζεται από το μήκος (βάθος) του εγκατεστημένου κυκλώματος, όπως επίσης και από την ενέργεια που καταναλώνεται από την αντλία θερμότητας και το κύκλωμα άντλησης, καθώς δεν έχουμε άντληση από φρεάτιο. Για θερμοκρασίες νερού των 50 ο F και 60 ο F (8 και 15 ο C) τα συστήματα υπεδαφικού νερού έχουν υψηλότερο EER από τα κλειστά κυκλώματα, όταν το ολικό βάθος άντλησης είναι μικρότερο από τα 200ft (60m). Παρ όλα αυτά, γενικώς, οι διαφορές μεταξύ των δύο συστημάτων είναι μικρές. Συμπερασματικά, η κατάλληλη ροή νερού που απαιτείται σε ένα σύστημα, εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τον τύπο του εναλλάκτη θερμότητας και το βάθος άντλησης του νερού. Στις περισσότερες εφαρμογές, οι τιμές της ροής κυμαίνονται μεταξύ του 1.0 με 2.5 gpm/ton, αριθμοί που είναι πολύ μικρότεροι από τη ροή του νερού οικιακής χρήσης που είναι 2.5 ως 3.0 gpm/ton [Kevin, 1997] Οικονομικά πλεονεκτήματα Τα συστήματα των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας έχουν το πλεονέκτημα του χαμηλού κόστους λειτουργίας και συντήρησης, του μεγάλου κύκλου ζωής σε συνδυασμό με την αυξανόμενη αξιοπιστία και λειτουργικότητά τους σε σχέση με τα υπόλοιπα εναλλακτικά συστήματα ψύξης και θέρμανσης. Στις εφαρμογές αβαθούς γεωθερμίας με χρήση ΓΑΘ, το κόστος επένδυσης περιλαμβάνει την γεώτρηση, τον εξοπλισμό και το δίκτυο διανομής. Το κόστος της γεώτρησης εξαρτάται από το βάθος της, τα χαρακτηριστικά του πεδίου, αλλά και το σημείο στο οποίο γίνεται, όπως φαίνεται και στα ακόλουθα διαγράμματα. 55

62 Εικόνα 3.16: τυπικό κόστος γεώτρησης ανά μέτρο, ανάλογα με τον τύπο του εδάφους και τη διάμετρο της οπής Εικόνα 3.17: τυπικό κόστος αντλιών κυκλοφορίας Επιπλέον, ο απαιτούμενος τύπος της ΓΑΘ και του δικτύου διανομής της εγκατάστασης καθορίζεται κυρίως από τις θερμικές ή ψυκτικές ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν, αλλά και την εκτίμηση των απωλειών. Για παράδειγμα, το κόστος διανομής των ψυκτικών φορτίων από τους αντίστοιχους σωλήνες διαμορφώνεται ανάλογα με το μήκος και το είδος αυτών, όπως παρουσιάζεται στο ακόλουθο διάγραμμα. Εικόνα 3.18: τυπικό κόστος σωλήνων διανομής ψυκτικών φορτίων 56

63 Σύμφωνα, μάλιστα, με στοιχεία του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ΚΑΠΕ (2008), το κόστος εγκατάστασης γεωθερμικών αντλιών θερμότητας ανέχεται σε ευρώ / kwh. Δηλαδή για μια κατοικία 150 τ.μ., το κόστος εγκατάστασης για θέρμανση, κλιματισμό και παροχή ζεστού νερού χρήσης ανέρχεται σε ευρώ περίπου. Για μεγαλύτερα συστήματα τα κοστολόγια ανά kwh είναι σημαντικά μικρότερα. Ο γεωεναλλάκτης δεν απαιτεί καμία συντήρηση και έχει διάρκεια ζωής τουλάχιστον 50 χρόνια. Οσον αφορά την αντλία θερμότητας και τα εσωτερικά συστήματα θέρμανσης-ψύξης, η διάρκεια ζωής τους είναι μεγαλύτερη από εκείνη των αντίστοιχων συμβατικών συστημάτων, ενώ απαιτείται ελάχιστη συντήρηση. Η γεωθερμική αντλία θερμότητας λειτουργεί με χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος, με κόστος λειτουργίας το 50% εκείνου του φυσικού αερίου για θέρμανση και 30-40% λιγότερο από τα άλλα συστήματα για ψύξη. Η απόσβεση,λοιπόν, του αρχικού κεφαλαίου, με βάση τα δεδομένα του ΚΑΠΕ (2008), μπορεί να γίνει σε 5-7 χρόνια. Σήμερα, δεδομένης της αύξησης της τιμής των ορυκτών καυσίμων, ο χρόνος αποπληρωμής ενδέχεται να είναι μικρότερος. Συνεπώς, σε περιοχές όπου το φυσικό αέριο δεν είναι διαθέσιμο ή όπου το κόστος του φυσικού αερίου ή άλλων καυσίμων είναι υψηλό σε σύγκριση με τον ηλεκτρισμό, οι αντλίες θερμότητας με πηγή το νερό αποτελούν μία οικονομική λύση. Λειτουργούν με συντελεστή απόδοσης θέρμανσης περίπου 3 ~ 4.5, συγκρινόμενο με τη συμβατική απόδοση θέρμανσης που κυμαίνεται στο 80-97%. Εξαιτίας, λοιπόν, της όξυνσης των περιβαλλοντικών προβλημάτων και της ολοένα αυξανόμενης τιμής των ορυκτών καυσίμων εκτιμάται ότι πολύ σύντομα θα υπάρξει διεύρυνση της χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας [Πολύζος, 2012] Περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα Η ολοένα και αυξανόμενη χρήση των ΓΑΘ, έχει προκαλέσει μια διχογνωμία μεταξύ των επιστημόνων για το κατά πόσο ανήκει στις εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και κατ επέκταση, δεδομένου ότι δεν πρέπει να συγκαταλέγεται σ αυτές, κατά πόσο επιδρά αρνητικά στην υιοθέτηση από την κοινωνία εφαρμογών προερχόμενων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αυτό συμβαίνει εν μέρει επειδή οι ΓΑΘ συνδέονται με την «παραγωγή» θέρμανσης και ψύξης και συνεπώς δε λογαριάζονται ως ανανεώσιμες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, υπάρχουν δύο ακόμη παράγοντες προς εξέταση, ένα ερώτημα σχετικά με τη βιωσιμότητα της προερχόμενης από το έδαφος ενέργειας και μια ευρέως διαδεδομένη θεωρία, σχετικά με τις αντλίες θερμότητας αέρα-αέρα, για το ότι δεν υπάρχει καθαρό όφελος στην εξερχόμενη ενέργεια και ότι απλά είναι μια ενεργειακά αποδοτική τεχνολογία. 57

64 Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 50 και του 60 όταν οι αντλίες θερμότητας με πηγή τον αέρα άρχισαν να διαδίδονται, η ηλεκτρική ενέργεια παραγόταν σε κεντρικούς ηλεκτρικούς σταθμούς με χρήση ορυκτών καυσίμων, με ενεργειακή απόδοση που άγγιζε το 30%. Η απόδοση των αντλιών θερμότητας τότε κυμαινόταν μεταξύ του 1,5 και του 2,5. Όπως παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα, όμως, κατά τη φάση διανομής της ενέργειας προς το κτίριο, μόνο το 75% της αρχικής ενέργειας, συνυπολογίζοντας την απαιτούμενη ηλεκτρική κατάναλωση για τη λειτουργία της αντλίας, ανακτώνταν ως χρήσιμη θερμική ενέργεια, παρόλο που το 60% της συνολικής ενέργειας αποσπάται από τον αέρα. Συνεπώς, παρόλο που η ανανεώσιμη ενέργεια από τον αέρα χρησιμοποιείτο για να διανείμει αποδοτικά θερμική ενέργεια, δεν εξασφαλιζόταν καθαρό όφελος. Η δεύτερη στήλη του πίνακα παρουσιάζει τα σημερινά δεδομένα. Η χρήση νέων ορυκτών καυσίμων μπορεί να διανείμει την ηλεκτρική ενέργεια με απόδοτικότητα που ξεπερνά το 40%. Επιπλέον, οι ΓΑΘ παρουσιάζουν ένα δείκτη αποδοτικότητας μεγαλύτερο από το 3,5. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια φαινομενική «απόδοση» της τάξης του 140%, με το 71% της τελικής ενέργειας να προέρχεται από το υπέδαφος. Πιο συγκεκριμένα, υπάρχει ένα ποσοστό απόδοσης άνω του 40%, εν συγκρίσει με τη συνολική, αρχική και καταναλισκόμενη, ενέργεια. Πίνακας 3.4: σύγκριση ενεργειακής απόδοσης Old (Air-Source+ Old Fossil Fuel) New (Water-Source+ New Fossil Fuel) Electric Generation Efficiency COP or SPF Delivered energy/consumed energy Delivered renewable energy 60% 71% Excess renewable energy -25% 40% Εάν, λοιπόν, η απαιτούμενη ενέργεια για τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας μπορεί να προέλθει από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, τότε το σύνολο της διανεμόμενης ενέργειας από τις αντλίες θερμότητας θα είναι ανανεώσιμο. Υπάρχουν πολλές προτάσεις, οι οποίες με σκοπό να μεγιστοποιήσουν την ποσότητα της διανεμόμενης ανανεώσιμης ενέργειας, προτείνουν να συνδέσουν τις ΓΑΘ με μονάδες παραγωγής ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας, θεωρώντας ότι, παρόλο που το αρχικό κόστος αυξάνεται, θα επιτυγχάνεται ένα οικονομικά συμφέρον αποτέλεσμα. 58

65 Ενώ το θέμα της προέλευσης της παραγόμενης ενέργειας παραμένει αμφιλεγόμενο, το αντίστοιχο της μείωσης των εκπομπών του CO 2 μπορεί πιο εύκολα να διευκρινιστεί. Οι ΓΑΘ, για παράδειγμα, μπορούν να επιφέρουν 50% μείωση της συνολικής παραγόμενης εκπομπής CO 2 συγκρινόμενες με τις συμβατικές μεθόδους θέρμανσης χώρων που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα. Εξετάζοντας σε παγκόσμιο επίπεδο την εξοικονόμηση σε ΤΙΠ (τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου) και CO 2 από τις υπάρχουσες εγκαταστάσεις γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, αντιλαμβανόμαστε τα ακόλουθα. Εάν η ετήσια χρήση γεωθερμικής ενέργειας είναι TJ ( GWh) και συγκρίνοντας το με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα, αποδοτικότητας 30%, τότε η εξοικονόμηση ανέρχεται σε 35,8 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου ή 5,4 ΤΙΠ, το οποίο ισοδυναμεί σε εξοικονόμηση 16 εκατομμυρίων τόνων CO 2. Συνυπολογίζοντας και την αντίστοιχη περίπου συνεισφορά των ΓΑΘ κατά τη λειτουργία τους για ψύξη, οι αριθμοί αυτοί διπλασιάζοται [Lund, 2004]. 59

66 Κεφάλαιο 4 Ξενοδοχειακό συγκρότημα ΣΑΝΗ στη Χαλκιδική 4.1 Γενικά στοιχεία Το ξενοδοχειακό συγκρότημα ΣΑΝΗ βρίσκεται στην περιοχή της Κασσάνδρας της Χαλκιδικής, καλύπτοντας έκταση 4500 στρεμμάτων. Εικόνα 4.1: τοποθεσία του ξενοδοχειακού συγκροτήματος ΣΑΝΗ Αποτελείται από τέσσερα ξενοδοχειακά συγκροτήματα, εκ των οποίων το ένα είναι το κεντρικό ξενοδοχείο και τα άλλα τρία αποτελούν μονάδες με αυτόνομες ξενοδοχειακές κατοικίες. Το κεντρικό ξενοδοχείο (SANI Beach Hotel) αποτελείται από δύο κτίρια, πέντε και έξι ορόφων αντίστοιχα. Στο ισόγειο του ξενοδοχείου στεγάζονται η υποδοχή, πέντε εστιατόρια, η καφετέρια/bar, τέσσερις αίθουσες συνεδριάσεων, αίθουσες ψυχαγωγίας (γυμναστήριο, spa), και στο υπόγειο η κουζίνα καθώς και οι μηχανολογικές εγκαταστάσεις. 60

67 Πίνακας 4.1: κατανομή δωματίων στο κεντρικό ξενοδοχείο Ξενοδοχείο Δωμάτια Έκταση m 2 /δωμάτιο Συνολική επιφάνεια, m 2 SANI Beach Hotel ΣΥΝΟΛΟ Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένας πίνακας με τις διανυκτερεύσεις και την πληρότητα του ξενοδοχείου, καθώς ως γνωστό αυτοί οι παράγοντες σχετίζονται άμεσα με την κατανάλωση ενέργειας στο ξενοδοχείο. Πίνακας 4.2: διανυκτερεύσεις και πληρότητες στο SANI Beach Hotel Διανυκτε ρεύσεις Πληρότητα Διανυκτε ρεύσεις Πληρότητα Διανυκτερ εύσεις Πληρότητα ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ % % % ΜΑΙ % % % ΙΟΥΝ % % % ΙΟΥΛ % % % ΑΥΓ % % % ΣΕΠ % % % ΟΚΤ % % % ΝΟΕ ΔΕΚ Γενικώς, το ξενοδοχείο λειτουργεί 7 μήνες (Απρίλιος-Οκτώβριος) και το κλίμα της περιοχής χαρακτηρίζεται από ηλιοφάνεια που ξεπερνά το 90% στους μήνες αυτούς. Παρακάτω παρουσιάζεται ο μέσος όρος των θερμοκρασιών κατά την περίοδο λειτουργίας του. 61

68 Πίνακας 4.3: μέσος όρος θερμοκρασιών κατά την περίοδο λειτουργίας Κλίμα Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Μέση μέγιστη θερμοκρασία σε C Μέση ελάχιστη νυχτερινή θερμοκρασία σε C Θερμοκρασία θαλάσσης C Υφιστάμενη κατάσταση Η ηλεκτροδότηση του Κενρικού ξενοδοχειακού συγκροτήματος γίνεται από το δίκτυο μέσης τάσης μέσω δύο μετασχηματιστών με εγκαταστημένη ισχύ: 2 Χ kva, ενώ η συμφωνημένη ισχύς είναι 850kVA. Η μεγίστη ζήτηση ισχύος στην περίοδο αιχμής (Αύγουστος 2008) έφτασε περίπου τα kw. Οι αιχμές μέγιστης ζήτησης εμφανίζονται κατά τη διάρκεια των πρώτων πρωινών και πρώτων απογευματινών ωρών. Η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι, κατά μέσο όρο, kWh το χρόνο. Η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται από μέρος του εξοπλισμού της κουζίνας, από τα ψυγεία-καταψύκτες, τις αντλίες-κυκλοφορητές, τον κλιματισμό, τα πλυντήρια και το φωτισμό. Ο κλιματισμός των κτιριακών εγκαταστάσεων καλύπτεται από αερόψυκτο ψύκτη. Η ψύξη των δωματίων γίνεται μέσω fan-coils, ενώ των υπολοίπων βοηθητικών χώρων (χώρος υποδοχής, αίθουσες συνεδριάσεων) με κλιματιστικές μονάδες. Ακόμη, χρησιμοποιείται ένας λέβητας για την παραγωγή ζεστού νερού και για την κεντρική θέρμανση των χώρων του κτιρίου την περίοδο της θέρμανσης. Ο λέβητας είναι ονομαστικής ισχύος kw και λειτουργεί περίπου 8 ώρες την ημέρα, καλύπτοντας τις ανάγκες σε ζεστό νερό χρήσης του κεντρικού κτιρίου και των υπόλοιπων κτιριακών συγκροτημάτων, σε συνδυασμό με κεντρικό σύστημα ηλιακών συλλεκτών, συλλεκτικής επιφάνειας 150 m². Το ζεστό νερό χρήσης έχει θερμοκρασία 55 C. Ο δεύτερος λέβητας με καυστήρα πετρελαίου, είναι εφεδρικός, έχει υποστεί ανακατασκευή και χρησιμοποιείται σπανίως. Ετήσιες καταναλώσεις ενέργειας Το καύσιμο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης και τη θέρμανση των χώρων (για μία σύντομη χρονική περίοδο κατά τους μήνες Απρίλιο και Οκτώβριο) είναι το υγραέριο. Συμπληρωματικά η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης πραγματοποιείται από κεντρικό σύστημα ηλιακών συλλεκτών. Ο ηλεκτρισμός χρησιμοποιείται για το φωτισμό του κτιρίου, τον εξοπλισμό της κουζίνας, τα 62

69 πλυντήρια -στεγνωτήρια, τον κλιματισμό, την κίνηση των μηχανών και άλλες χρήσεις. Οι συνολικές ενεργειακές καταναλώσεις του ξενοδοχείου παρατίθενται στον ακόλουθο πίνακα. Για λόγους σύγκρισης, η ενέργεια του υγραερίου μετατράπηκε σε kwh, βάσει της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου αυτού. Η Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη υγραερίου (προπάνιο), ισούται με Θκ=12,85 kwh/kg και το ειδικό βάρος του υγρού στους 15,5 C ισούται με ρ=0,507 kg/lt. Πίνακας 4.4: ετήσιες καταναλώσεις θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας Έτος Υγραέριο (lt) Κατανάλωση Θερμικής Ενέργειας (kwh) Κατανάλωση Ηλεκτρικής Ενέργειας (kwh) Κατανάλωση Συνολικής Ενέργειας (kwh) Παρατηρείται, λοιπόν, ότι τα θερμικά φορτία αποτελούν το 21% της συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας, ενώ οι ηλεκτρικές διεργασίες (φωτισμός, πλυντήρια - στεγνωτήρια, κλιματισμός και άλλες χρήσεις) το 79% αυτής. Μηνιαίες καταναλώσεις ενέργειας Στα παρακάτω διαγράμματα απεικονίζεται διαχρονικά η μηνιαία κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και υγραερίου, αντίστοιχα. Διάγραμμα 4.1: κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας τα έτη 2008 εώς Ηλεκτρική ενέργεια, kwh Ηλεκτρική ενέργεια, kwh 63

70 Ηλεκτρική ενέργεια, kwh Διάγραμμα 4.2: κατανάλωση υγραερίου τα έτη 2008 έως 2010 Κατανάλωση υγραερίου, lt Κατανάλωση υγραερίου, lt Στο Διάγραμμα 4.1 παρατηρείται ότι υπάρχουν διαφορές στην κατανάλωση από έτος σε έτος που οφείλονται στη διαφορετική πληρότητα του ξενοδοχείου και στις κλιματολογικές συνθήκες, λόγω του κλιματισμού/ψύξης. Στο Διάγραμμα 4.2, όπου εμφανίζεται η μηνιαία κατανάλωση υγραερίου, παρατηρούνται επίσης διαφορές στην κατανάλωση που οφείλονται στη διαφορετική πληρότητα και στις ανάγκες θέρμανσης των μηνών Απριλίου και Οκτωβρίου. Συσχέτιση ηλεκτρικής ενέργειας με την εξωτερική θερμοκρασία Στο Διάγραμμα 4.3 παρουσιάζεται η συσχέτιση της μηνιαίας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας με την εξωτερική θερμοκρασία για τα έτη Διάγραμμα 4.3: συσχέτιση κατανάλωσης ενέργειας με την εξωτερική θερμοκρασία y = 24421x R² = 0, Μέση εξωτερική θερμοκρασία, ο C 64

71 Ηλεκτρική ενέργεια, kwh Οι μετρήσεις της μέσης θερμοκρασίας πάρθηκαν από τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού του Πολυγύρου στη Χαλκιδική (LG Z 13503KT 24/04 Q1012). Όσον αφορά στην κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας εκτός από το φορτίο βάσης που υπάρχει (ανελκυστήρες, φωτισμός, ρευματοδότες, κλπ.), καταναλώνεται ενέργεια στο σύστημα κλιματισμού για την ψύξη/θέρμανση του κτιρίου. Έτσι είναι αναμενόμενο η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας να βρίσκεται σε άριστη συσχέτιση με την εξωτερική θερμοκρασία, συσχέτιση R²=0,90. Συσχέτιση ηλεκτρικής ενέργειας με διανυκτερεύσεις Στο Διάγραμμα 4.4 παρουσιάζεται η συσχέτιση της μηνιαίας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας με τις διανυκτερεύσεις για τα έτη Διάγραμμα 4.4: συσχέτιση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας με τις διανυκτερεύσεις y = 0,0011x ,34x R² = 0, Διανυκτερεύσεις Παρατηρείται επίσης καλή συσχέτιση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, R²=0,89, με τις διανυκτερεύσεις. Συσχέτιση κατανάλωσης υγραερίου με διανυκτερεύσεις Στο Διάγραμμα 4.5 παρουσιάζεται η συσχέτιση της μηνιαίας κατανάλωσης υγραερίου, σε lt, με τις διανυκτερεύσεις για τα έτη

72 Υγραέριο, lt Διάγραμμα 4.5: συσχέτιση κατανάλωσης υγραερίου με διανυκτερεύσεις y = -0,0002x 2 + 4,1847x + 504,7 R² = 0, Διανυκτερεύσεις Παρατηρείται, επίσης, πολύ καλή συσχέτιση της κατανάλωσης υγραερίου, R²=0,95, με τις διανυκτερεύσεις, μιας και η κατανάλωση υγραερίου γίνεται στον λέβητα με αποκλειστική την παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης για την κάλυψη των αναγκών των επισκεπτών. Ενεργειακοί δείκτες Στους πίνακες που ακολουθούν υπολογίζονται οι ενεργειακοί δείκτες του ξενοδοχειακού συγκροτήματος για την τριετία Πίνακας 4.5: Ενεργειακοί δείκτες ξενοδοχείου ανά m 2 επιφάνειας δωματίων Έτος Ειδική Κατανάλωση Θερμικής Ενέργειας (kwh/m 2 *έτος) Ειδική Κατανάλωση Ηλεκτρικής Ενέργειας (kwh/m 2 *έτος) Ειδική Κατανάλωση Συνολικής Ενέργειας (kwh/m 2 *έτος) ,5 217,7 273, ,6 198,8 254, ,3 203,9 257,2 Μ.Ο 54,82 206,8 261,62 66

73 Έτος Πίνακας 4.6: Ενεργειακοί δείκτες ξενοδοχείου ανά διανυκτέρευση Ειδική Ειδική Κατανάλωση Κατανάλωση Θερμικής Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενέργειας (kwh/διανυκτέρε (kwh/διανυκτέρε υση) υση) Ειδική Κατανάλωσ η Υγραερίου (lt/διανυκτέρ ευση) Ειδική Κατανάλωση Συνολικής Ενέργειας (kwh/διανυκτέρε υση) ,47 9,6 37,6 47, ,41 9,2 32,9 42, ,47 9,6 36,7 46,3 Μ.Ο 1,45 9,5 35,7 45,2 Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο (m²) και ανά διανυκτέρευση για το μέσο όρο των ετών ήταν: 206,8 kwh/m²/έτος ή 35,7 kwh/διανυκτέρευση Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας (από την καύση υγραερίου που έχουν μετατραπεί σε kwh) ανά τετραγωνικό μέτρο, για την ίδια περίοδο, ήταν: 54,8 kwh/m²/ έτος ή 9,5 kwh/διανυκτέρευση Η συνολική κατανάλωση ενέργειας του ξενοδοχείου (ηλεκτρική και θερμική) για το μέσο όρο των ετών ήταν: 262 kwh/m²*έτος ή 45,2 kwh/διανυκτέρευση Ειδικά για την περίπτωση της κατανάλωσης υγραερίου (προπανίου) ανά διανυκτέρευση προκύπτει: 1,45 lt/διανυκτέρευση Συγκριτική αξιολόγηση της ενεργειακής κατανάλωσης Στον πίνακα που ακολουθεί δίνεται μία πρόταση του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ) για τα όρια ενεργειακών κατηγοριών ξενοδοχείων στις 4 κλιματικές ζώνες. 67

74 Πίνακας 4.7: Όρια ενεργειακών κατηγοριών ξενοδοχείων για τις 4 κλιματικές ζώνες ΞΕΝΟΔΟΧΕΙΟ Μέγιστες και ελάχιστες τιμές ενεργειακής κατανάλωσης (kwh/m 2 *έτος) Κλιματική Ζώνη Α Β Γ Δ Α+ ΕΚ< 55 ΕΚ< 65 ΕΚ< 75 ΕΚ< 85 Α 55 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 125 Β+ 80 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 190 Β 120 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 250 Γ 160 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 295 Δ 210 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 335 Ε 265 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 415 Ζ 330 <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< <ΕΚ< 500 Η 395 <ΕΚ 375 <ΕΚ 435 <ΕΚ 500 <ΕΚ Το κεντρικό ξενοδοχείο ανήκει στην κλιματική ζώνη Γ, άρα με βάση τον πρώτο ενεργειακό δείκτη, ΕΚ=262 kwh/(m²*έτος), και από τον πίνακα 4.7 προκύπτει ότι η ενεργειακή κατηγορία του ξενοδοχείου είναι η Δ. Παρατηρείται, δηλαδή, ότι η ενεργειακή κατάταξη του ξενοδοχείου είναι μεσαία. Επισημαίνεται, βέβαια, ότι η παραπάνω κατάταξη είναι ενδεικτική, μιας και προκύπτει από συνιστώμενες μέγιστες και ελάχιστες απόλυτες τιμές ανά ενεργειακή κατηγορία και δεν έχει καμία σχέση με την κατάταξη που μπορεί να προκύψει από την εξέταση του ξενοδοχείου με βάση τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (ΚΕΝΑΚ) και τη σύγκρισή του με κτίριο αναφοράς. Συμπεραίνεται, λοιπόν, υψηλός δείκτης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας που οφείλεται στις αυξημένες ανάγκες και υψηλές καταναλώσεις του κλιματισμού και χαμηλός δείκτης κατανάλωσης θερμικής ενέργειας, λόγω της εποχιακής λειτουργίας του ξενοδοχειακού συγκροτήματος. Άλλωστε στη συγκεκριμένη περίπτωση η κατανάλωση θερμικής ενέργειας αναφέρεται σχεδόν αποκλειστικά στην παραγωγή ζεστού νερού χρήσης Μετρήσεις ψυκτικών καταναλώσεων αντλιών θερμότητας κεντρικού ξενοδοχείου Όπως έχει προαναφερθεί, το κεντρικό ξενοδοχείο αποτελείται από δύο κτίρια (Κτίριο Α, Κτίριο Β), συνολικής δυναμηκότητας 257 και 210 δωματίων αντίστοιχα. Η τροφοδοσία των χώρων του Κτιρίου Α με ψυκτικά φορτία πραγματοποιείται μέσω ενός αερόψυκτου ψύκτη της εταιρίας DAIKIN, ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο δώμα του κτιρίου. Αντίστοιχα, στο Κτίριο Β η ψύξη των χώρων γίνεται μέσω αερόψυκτων αντλιών θερμότητας αέρα-νερού της εταιρίας DAIKIN, τοποθετημένες στο δώμα του κτιρίου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σε πίνακες τα δεδομένα του κατασκευαστή για τους αντίστοιχους τύπους των αντλιών θερμότητας. 68

75 Πίνακας 4.8: ονομαστικές αποδόσεις αερόψυκτου ψύκτη DAIKIN κτιρίου Α Εξωτερική θερμοκρασία 20 ο C 25 o C 30 o C 35 o C 40 o C Θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστή Ψ.Ι. (kw) Η.Ι. (kw) COP Ψ.Ι. (kw) Η.Ι. (kw) COP Ψ.Ι. (kw) 4 ο C ο C ο C ο C Ψ.Ι.: Ψυκτική Ισχύς Η.Ι.: Ηλεκτρική Ισχύς Η.Ι. (kw) COP Ψ.Ι. (kw) Η.Ι. (kw) COP Ψ.Ι. (kw) Η.Ι. (kw) Τα δεδομένα του κατασκευαστή για την αντλία θερμότητας του Κτιρίου Β αναφέρονται σε αντλίες του αντίστοιχου του τύπου, οι οποίες λειτουργούν με ψυκτικό υγρό R-22 και παρουσιάζονται ακολούθως. Παρ όλα αυτά, στη συγκεκριμένη αντλία το ψυκτικό υγρό R-22 έχει αντικατασταθεί με το R-427a, το οποίο αποτελεί έναν τύπο υδροφθορανθράκων (HFC), με σκοπό να αντικαταστά το R-22 (HCFC) σε υπάρχοντα ή νέα συστήματα (συστήματα κλιματισμού, ψυγεία), σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Οδηγία 842/2006. COP Εξωτερική θερμοκρασία Πίνακας 4.9: ονομαστικές αποδόσεις αερόψυκτου ψύκτη DAIKIN κτιρίου Β Θερμοκρασία εξόδου νερού από την αντλία θερμότητας 5 ο C 7 ο C 9 ο C 11 ο C Παρ Παρ Παρ οχή οχή οχή Ψ.Ι. Η.Ι. EER Ψ.Ι. Η.Ι. EER Ψ.Ι. Η.Ι. EER νερ νερο νερ ού ύ ού Ψ.Ι. Η.Ι. EER ο C kw kw - l/mi n kw kw - l/mi n kw kw - l/mi n Παρο χή νερού kw kw - l/min 25 49,9 15,3 3, ,4 15,9 3, ,1 16,4 3, ,8 17 3, ,5 15,7 3, ,2 3, ,7 16,8 3, ,4 17,4 3, ,9 16,4 2, ,3 16,9 2, ,8 17,5 3, ,4 18,1 3, ,4 17 2, ,5 17,6 2, ,9 18,2 2, ,4 18,8 2, ,5 17,6 2,07 41,3 18,2 2,27 46,3 18,8 2, ,4 19,5 2, Οι μετρήσεις της κλιματιστικής μονάδας του Κτιρίου Α (alteren, 2011) έλαβαν χώρα από τις 05/09/2011 ως τις 09/09/2011 με συνολικό χρόνο καταγραφής 95 ώρες. Από τις μετρήσεις αυτές προέκυψε ότι η συνολική καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια ισούται με 5.198,00kWh που αντιστοιχεί σε ημερήσια κατανάλωση ίση με 1.386,13kWh. Η μέγιστη ζήτηση ισχύος ισούται με 110,2kW και παρατηρήθηκε στις 15:00-16:00 το μεσημέρι, γεγονός αναμενόμενο καθότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες εμφανίζονται εκείνες τις ώρες. Αντίστοιχα, οι μετρήσεις της κλιματιστικής μονάδας του Κτιρίου Β (alteren, 2011) έλαβαν χώρα από τις 05/09/2011 ως τις 09/09/2011 με συνολικό χρόνο καταγραφής 93 ώρες. Η μέγιστη ζήτηση ισχύος ισούται με 147,75kW. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας του ψύκτη, έφτασε τις 5.870,92 kwh που αντιστοιχεί σε 1.515,07kWh ημερησίως. 69

76 Η μέση ισχύς, λοιπόν P (σε kw) η οποία προκύπτει ως ο λόγος της συνολικής καταγραφείσας κατανάλωσης ενέργειας (kwh) προς το σύνολο των ωρών(hours) μέτρησης ισούται με 54,716 kw και 63,128 kw αντίστοιχα. Συνεπώς, σε σχέση με τη συνολική ημερήσια κατανάλωση του ξενοδοχείου που ισούται με 12668,82 kwh, η κλιματιστική μονάδα του Κτιρίου Α καταναλώνει το 10,37%, ενώ η αντλία θερμότητας στο Κτίριο Β το 11,96% επί του συνόλου και χαρακτηρίζονται ως οι πιο ενεργοβόρες μονάδες του κεντρικού ξενοδοχείου επί το σύνολο των λοιπών εγκαταστάσεων που υπάγονται σε αυτό Μετρήσεις αποδόσεων ψυκτικών μηχανημάτων Ο έλεγχος της απόδοσης των ψυκτών και αντλιών θερμότητας περιελάμβανε την μέτρηση του ψυκτικού αποτελέσματος από το πέρασμα του νερού διαμέσου του εξατμιστήρα με τον προσδιορισμό των ακόλουθων: παροχή νερού θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στην είσοδο και την έξοδο του νερού Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση του ψύκτη υπολογίζεται με βάση: την παροχή του ψυχρού νερού V (m 3 /h) την πυκν οτητα του ψυχρού νερού ρ (kg/m 3 ) την ειδική θερμότητα του ψυχρού νερού c p (Kj/kg*K) τη θερμοκρασία ψυχρού νερού στην είσοδο του εξατμιστήρα t in ( o C) τη θερμοκρασία ψυχρού νερού στην έξοδο του εξατμιστήρα t out ( o C) Μέτρηση συντελεστή απόδοσης αερόψυκτου ψύκτη στο Κτίριο Α Στο κύκλωμα του ψυχρού νερού είναι εγκατεστημένες παράλληλα δύο αντλίες, μία κύρια και μία εφεδρική. Από την διαφορά πιέσεων στην αναρρόφηση (1,6 bar) και κατάθλιψη και την καμπύλη της συγκεκριμένης αντλίας, κύριας, που λειτουργούσε προκύπτει η παροχή 48 m 3 /h (alteren, 2011). Η μέτρηση των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου ψυχρού νερού στον ψύκτη μετρήθηκε με θερμόμετρα επαφής. Για μερικό φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 12,33 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με 9,98 o C. Για πλήρες φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 14,00 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με 9,90 o C. Συνεπώς, ο συντελεστής απόδοσης COP ισούται με 2,13 για μερικό φορτίο και 2,23 για πλήρες φορτίο (alteren, 2011). Τη στιγμή των μετρήσεων η εξωτερική θερμοκρασία ήταν 32,5 o C και η σχετική υγρασία 48%. Συνεπώς, παρατηρείται, με βάση τις ονομαστικές τιμές του κατασκευαστή (COP=2,65) για εξωτερική θερμοκρασία 32,5 o C και θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστήρα 10 o C ότι υπάρχει μία απόκλιση της τάξης του 16% από τον θεωρητικό συντελεστή απόδοσης για τις συγκεκριμένες συνθήκες ελέγχου. Λαμβάνοντας, όμως, 70

77 υπόψη την αβεβαιότητα στην εκτίμηση της παροχής (πιθανό σφάλμα της τάξης του (5-10%) η απόδοση του συγκεκριμένου ψύκτη κρίνεται ικανοποιητική. Μέτρηση συντελεστή απόδοσης αντλιών θερμότητας στο Κτίριο Β Οι μετρήσεις των συντελεστών απόδοσης στο Κτίριο Β πραγματοποιήθηκαν ενδεικτικά στην αντλία θερμότητας Νο 4 και στην αντλία θερμότητας Νο 5. Στο κύκλωμα του ψυχρού νερού της αντλίας θερμότητας 4 είναι εγκατεστημένος ένας κυκλοφορητής. Από την διαφορά πιέσεων στην αναρρόφηση και κατάθλιψη και την καμπύλη της συγκεκριμένης αντλίας προκύπτει η παροχή 19 m 3 /h (alteren, 2011). Η μέτρηση των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου ψυχρού νερού στον ψύκτη μετρήθηκε, επίσης, με θερμόμετρα επαφής. Για μερικό φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 14,30 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με 13,05 o C. Για πλήρες φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 13,20 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με11,31 o C. Συνεπώς, ο συντελεστής απόδοσης COP ισούται με 1,67 για μερικό φορτίο και 2,58 για πλήρες φορτίο (alteren, 2011). Τη στιγμή των μετρήσεων η εξωτερική θερμοκρασία ήταν 26 o C και η σχετική υγρασία 43%. Παρατηρείται, λοιπόν, με βάση τις ονομαστικές τιμές του κατασκευαστή (COP=3,5) για εξωτερική θερμοκρασία 26 o C και θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστήρα 11 o C ότι υπάρχει μία απόκλιση της τάξης του 26% από τον θεωρητικό συντελεστή απόδοσης για τις συγκεκριμένες συνθήκες ελέγχου. Η μείωση κατά 26% του βαθμού απόδοσης της αντλίας θερμότητας αποδίδεται στην υψηλή θερμοκρασία συμπύκνωσης, που παρατηρείται, λόγω της αυξημένης διάβρωσης του στοιχείου του συμπυκνωτή και της μη αποδοτικής απόρριψης θερμότητας στο περιβάλλον. Κατά τη διάρκεια του ελέγχου και των μετρήσεων, η παροχή ψυχρού νερού του κυκλοφορητή βρισκόταν εκτός των ορίων της καμπύλης απόδοσης, δηλ. εκτός της περιοχής βέλτιστης λειτουργίας και με μεγάλη ηλεκτρική κατανάλωση. Αντίστοιχα, στο κύκλωμα του ψυχρού νερού της αντλίας θερμότητας 5 είναι εγκατεστημένος ένας κυκλοφορητής. Από την διαφορά πιέσεων στην αναρρόφηση και κατάθλιψη και την καμπύλη της συγκεκριμένης αντλίας προκύπτει η παροχή 17 m 3 /h (alteren, 2011). Η μέτρηση των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου ψυχρού νερού στον ψύκτη μετρήθηκε με θερμόμετρα επαφής. Τη στιγμή των μετρήσεων η εξωτερική θερμοκρασία ήταν 26 o C και η σχετική υγρασία 43%. Για μερικό φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 15,25 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με 14 o C. Για πλήρες φορτίο, η θερμοκρασία εισόδου του ψυχρού νερού ισούται με 14,95 o C, ενώ η θερμοκρασία εξόδου με 13,54 o C. Συνεπώς, ο συντελεστής απόδοσης COP ισούται με 1,54 για μερικό φορτίο και 1,74 για πλήρες φορτίο (alteren, 2011). 71

78 Παρατηρείται, λοιπόν, με βάση τις ονομαστικές τιμές του κατασκευαστή (COP>3,5) για εξωτερική θερμοκρασία 26 o C και θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστήρα 11 o C ότι υπάρχει μία απόκλιση της τάξης του 50% από τον θεωρητικό συντελεστή απόδοσης για τις συγκεκριμένες συνθήκες ελέγχου. Η σημαντική μείωση κατά 50% του βαθμού απόδοσης της αντλίας θερμότητας αποδίδεται στην πολύ υψηλή θερμοκρασία συμπύκνωσης, που παρατηρείται, λόγω της αυξημένης διάβρωσης του στοιχείου του συμπυκνωτή και της μη αποδοτικής απόρριψης θερμότητας στο περιβάλλον. Κατά τη διάρκεια του ελέγχου και των μετρήσεων η παροχή ψυχρού νερού του κυκλοφορητή ήταν μεγάλη, εκτός της περιοχής βέλτιστης λειτουργίας και με υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Αξιολογώντας, λοιπόν, την αρκετά υψηλή ενεργειακή κατανάλωση για την κάλυψη των ψυκτικών αναγκών του κεντρικού ξενοδοχείου, σε σχέση με τις λοιπές εγκαταστάσεις λειτουργίας του ξενοδοχείου, και τη σημαντική μείωση στο συντελεστή απόδοσης της λειτουργίας των ψυκτικών μονάδων και πιο συγκεκριμένα αυτών του Κτιρίου Β, σε σχέση με τους ονομαστικούς δείκτες απόδοσης του κατασκευαστή, κρίνεται χρήσιμη η εξέταση εναλλακτικών σχεδίων για τη βελτίωση της ψυκτικής λειτουργίας του ξενοδοχείου και τη μείωση της ενεργειακής του κατανάλωσης. Η εξέταση των εναλλακτικών σχεδίων θεωρείται πιο αναγκαία να πραγματοποιηθεί για το Κτίριο Β του κεντρικού ξενοδοχείου. 72

79 Κεφάλαιο 5 Παρουσίαση εναλλακτικών σεναρίων ψύξης 5.1 Εισαγωγή Η διάβρωση των εναλλακτών των συμπυκνωτών των αερόψυκτων αντλιών θερμότητας DAIKIN, που βρίσκονται στο δώμα του Κτιρίου Β του Κεντρικού Ξενοδοχείου του SANI, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, έχει οδηγήσει σε σημαντική πτώση της απόδοσής τους. Προτείνεται, λοιπόν, να εξεταστεί η αντικατάστασή τους με υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας, σε συνδυασμό με χρήση αβαθούς γεωθερμίας χαμηλής ενθαλπίας, ανοικτού κυκλώματος. Ως ρευστό κυκλοφορίας του γεωθερμικού εναλλάκτη θα χρησιμοποιηθούν υπόγεια υδάτα υψηλής αλατότητας (που προσεγγίζουν την αλατότητα του θαλασσινού νερού), τα οποία θα αντλούνται από γεωτρήσεις εγκατεστημένες στην παράκτια ζώνη του ξενοδοχείου. Γενικώς, εκτιμάται ότι η χρήση υδρόψυκτων αντλιών θερμότητας είναι μια μέθοδος που μπορεί να προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας σε σχέση με τη χρήση αερόψυκτων συστημάτων, η οποία με κατάλληλη διάταξη και μελέτη μπορεί να υπερβαίνει το 40%. Σε αντίθεση με τα συμβατικά αερόψυκτα συστήματα, η ανεπιθύμητη θερμότητα αποβάλλεται στα υπόγεια ύδατα, αντί στον αέρα. Σε περιοχές με σημαντική υδροπερατότητα, ο όγκος των υπόγειων υδάτων υψηλής αλατότητας και η φυσική διάχυση της θερμότητας μέσα στη γη, εξασφαλίζουν ότι η θερμοκρασία των υπόγειων υδάτων παραμένει σταθερή και αξιοσημείωτα μικρότερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνειά της. Συνεπώς, η αποβολή της θερμότητας είναι ευκολότερη σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται μειωμένη κατανάλωση ενέργειας για το ίδιο αποτέλεσμα. Η σταθερή και μικρότερη θερμοκρασία, μάλιστα, των υπόγειων υδάτων σε σχέση με την εξωτερική θερμοκρασία, οδήγησε αρχικά το ενδιαφέρον μας να εξετάσουμε την άντληση θαλασσινού νερού, το οποίο μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας θα ψύχει απευθείας το ρευστό κυκλοφορίας του κυκλώματος ψύξης του ξενοδοχείου, αποφεύγοντας την εγκατάσταση αντλίας θερμότητας. Με βάση, όμως, μετρήσεις της θερμοκρασίας του θαλασσινού νερού, οι οποίες έχουν πραγματοποιηθεί στην περιοχή του SANI, σε βάθος ως και 40m, κρίθηκε ότι η θερμοκρασία αυτού είναι ακατάλληλη (>20 ο C), έτσι ώστε να είναι αδύνατη η εφαρμογή της διάταξης αυτής για ψυκτικούς σκοπούς. 73

80 Συνεπώς, θα εξεταστεί η χρήση υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας μέσω δύο εναλλακτικών σεναρίων. Κατά την πρώτη περίπτωση, θα χρησιμοποιηθεί κατακόρυφο ανοικτό κύκλωμα γεωθερμικού εναλλάκτη, ενώ, στη δεύτερη περίπτωση θα εξεταστεί η κατασκευή οριζόντιου ανοικτού κυκλώματος γεωθερμικού εναλλάκτη. 5.2 Δομή συστήματος κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη ανοικτού κυκλώματος Το συγκεκριμένο σύστημα γεωθερμίας θα απαρτίζεται από: μια αντλία κυκλοφορίας ειδικού ανοξείδωτου χάλυβα ένα μετατροπέα συχνοτήτων έναν πλακοειδή εναλλάκτη τιτανίου μία γεώτρηση άντλησης στα 100m βάθος* μία γεώτρηση φόρτισης στα 10m βάθος σύστημα αυτοματισμού και ελέγχου υδρόψυκτη αντλία θερμότητας *Η γεώτρηση άντλησης αναφέρεται ότι θα φτάνει μέχρι τα 100m βάθος, καλύπτοντας τη δυσμενέστερη περίπτωση, κατά την οποία δε θα έχει βρεθεί κατάλληλη θερμοκρασία υφάλμυρου νερού σε μικρότερα βάθη. Γενικώς, εκτιμάται ότι η κατάλληλη θερμοκρασία υφάλμυρου νερού θα εντοπιστεί σε πολύ μικρότερο βάθος. Η επιλογή του τιτανίου, ως υλικό κατασκευής του εναλλάκτη, επιβάλλεται εξαιτίας της υψηλής διαβρωτικότητας των υπόγειων υδάτων που μπορεί να προσεγγίζουν και αυτή του θαλασσινού νερού, καθιστώντας όλα τα συνήθη ανοξείδωτα υλικά κατασκευής των εναλλακτών ακατάλληλα. Η συνολική συγκέντρωση των διαλυμένων στο νερό αλάτων εκφράζεται με το TDS (total dissolved solids), ο οποίος αποτελεί ένα δείκτη μεταλλικότητας (αλατότητας). Οι τιμές του TDS για υφάλμυρο νερό κυμαίνονται μεταξύ mg/l, ενώ για αλμυρό μεταξύ mg/l. Για τη διασφάλιση της ενεργειακής απόδοσης, το σύστημα θα σχεδιαστεί με χρήση μετατροπέα συχνότητας (inverter) και ειδικό αλγόριθμο ελέγχου της υποβρύχιας αντλίας, για την πλήρη προσαρμογή της παροχής στα ψυκτικά φορτία και τη διατήρηση υψηλού βαθμού απόδοσης. Το σύστημα αυτοματισμού και ελέγχου θα αποτελείται από μια λογική μονάδα (PLC) και συσκευές μέτρησης και εμφάνισης δεδομένων. Οι θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου από τον πλακοειδή εναλλάκτη θα εισάγονται συνεχώς ως δεδομένα στη λογική μονάδα. Αυτή συνδεόμενη με το μετρητή ισχύος, θα υπολογίζει αυτόματα το βαθμό απόδοσης COP, την ηλεκτρική και τη ψυκτική ισχύ. Μια οθόνη αφής μπορεί να χρησιμοποιείται για τη λειτουργική πρόσβαση και τον έλεγχο όλων των λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένου του 74

81 επαναπροσδιορισμού παραμέτρων και μετρητών. Ο μετατροπέας συχνοτήτων θα ελέγχεται από τη μονάδα PLC, ρυθμίζοντας συνεχώς την κυκλοφορία της αντλίας και εξασφαλίζοντας 5 ο C ελάχιστη θερμοκρασιακή διαφορά εισόδου-εξόδου ρευστών στον εναλλάκτη. Κατόπιν, το δευτερεύον ρευστό από τον εναλλάκτη θερμότητας θα εισέρχεται στην υδρόψυκτη αντλία θερμότητας, η οποία θα συνδέεται με το δίκτυο διανομής ψυκτικού μέσου του ξενοδοχείου. 5.3 Δομή συστήματος οριζόντιου γεωθερμικού εναλλάκτη ανοικτού κυκλώματος Το συγκεκριμένο σύστημα γεωθερμίας θα απαρτίζεται από: μια αντλία κυκλοφορίας ειδικού ανοξείδωτου χάλυβα ένα μετατροπέα συχνοτήτων έναν πλακοειδή εναλλάκτη τιτανίου ένα σύστημα οριζόντιων κυκλωμάτων απαγωγής θερμότητας από σωλήνες σε βάθος 3m σύστημα αυτοματισμού και ελέγχου υδρόψυκτη αντλία θερμότητας Η επιλογή του τιτανίου, ως υλικό κατασκευής του εναλλάκτη, επιβάλεται, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, εξαιτίας της υψηλής διαβρωτικότητας των υπόγειων υδάτων που μπορεί να προσεγγίζουν και αυτή του θαλασσινού νερού. Για τη διασφάλιση της ενεργειακής απόδοσης θα υπάρχει σύστημα PLC και συσκευές μέτρησης και εμφάνισης δεδομένων, οι οποίες θα ελέγχουν τον μετατροπέα συχνοτήτων. Για την τοποθέτηση των σωλήνων θα πρέπει να εξασφαλιστεί ελεύθερος διαθέσιμος χώρος. Ευνοϊκότερη περίπτωση θεωρείται η τοποθέτησή τους στην παράκτια ζώνη του ξενοδοχείου, η οποία αποτελείται από λεπτή άμμο, αποτρέποντας τον κίνδυνο θραύσης από πέτρες που πιέζουν τους σωλήνες. Επιπλέον, σ αυτή την περίπτωση αποφεύγεται η εγκατάσταση τους μέσα στη θάλασσα και κάτω από τον πυθμένα αυτής, κάτι το οποίο είναι πιο δύσκολο κατασκευαστικά, απαιτώντας ιδιαιτερη κατασκευαστική μέριμνα και έκδοση ειδικής άδειας για εργασίες εντός θαλάσσης. Ένας επιπλέον παράγοντας για το οριζόντιο κύκλωμα γεωθερμικού εναλλλάκτη που χρειάζεται να διερευνηθεί είναι η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους. Όσο καλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους, τόσο περισσότερη θερμότητα μπορεί να αντληθεί από αυτό. Έτσι αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης της αντλίας θερμότητας και μειώνεται η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Η άμμος έχει μικρή 75

82 θερμική αγωγιμότητα, ενώ τα μεικτά εδάφη που συγκρατούν την υγρασία σημαντικά μεγαλύτερη. Στην περίπτωση της εγκατάστασης του οριζόντιου κυκλώματος στην παράκτια ζώνη, η απαγωγή θερμότητας θα πραγματοποιείται μέσω αμμώδους εδάφους με αρκετά υψηλή συγκράτηση υγρασίας. Τέλος, όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, το δευτερεύον ρευστό από τον εναλλάκτη θερμότητας θα εισέρχεται στην υδρόψυκτη αντλία θερμότητας, η οποία θα συνδέεται με το δίκτυο διανομής ψυκτικού μέσου του ξενοδοχείου. 5.4 Λειτουργία συστημάτων γεωθερμικού εναλλάκτη Όπως αναφέρθηκε στο 4 ο κεφάλαιο, η καταναλισκόμενη μέση ημερήσια ισχύς του Κτιρίου Β κατά τους μήνες λειτουργίας του ξενοδοχείου για την κάλυψη των ψυκτικών αναγκών του από τις αερόψυκτες εγκαταστημένες στο δώμα αντλίες θερμότητας ισούται με 63,128 kw. Δεδομένου, λοιπόν, ότι η μέση απόδοση των αερόψυκτων αντλιών θερμότητας (COP) ισούται με 1,8, προκύπτει ότι η μέση ψυκτική ανάγκη ισχύος για το Κτίριο Β είναι ίση με 113,63 kw. Για να είναι αποδοτική η λειτουργία μιας αντλίας θερμότητας χρειάζεται η θερμοκρασία εξόδου του ψυχρού νερού στον εξατμιστήρα να μην υπερβαίνει τους 12 ο C. Συνεπώς, μια ικανοποιητική θερμοκρασία εξόδου του ψυχρού νερού κυμαίνεται από 7 ο C ως 11 ο C. Αντίστοιχα, η θερμοκρασία εισόδου του νερού, η οποία θα ισούται με τη θερμοκρασία εξόδου του βοηθητικού ρευστού από τον εναλλάκτη θερμότητας, θα κυμαίνεται από 18 ο C ως 20 ο C. Με βάση, λοιπόν, τα δεδομένα αυτά και τη σχέση: R= V* ρ* c p * (t in - t out ) όπου R= το ψυκτικό αποτέλεσμα σε kw V= η ροή ψυχρού νερού στον εξατμιστήρα σε m 3 /h ρ= η πυκνότητα του νερού σε kg/m 3 c p = η ειδική θερμότητα του νερού σε kj/kg*k t in = η θερμοκρασία εισόδου ψυχρού νερού σε ο C t out = η θερμοκρασία εξόδου ψυχρού νερού σε ο C προκύπτει όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα η απαιτούμενη ροή ψυχρού νερού στον εξατμιστήρα 76

83 Πίνακας 5.1: απαιτούμενη ροή ψυχρού νερού για ψυκτικό αποτέλεσμα R= 113,63 kw Θερμοκρασία Θερμοκρασία εξόδου εισόδου 7 ο C 9 ο C 11 ο C ο C Ροή ψυχρού νερού Συνεπώς, η μέση ροή του ψυχρού νερού προς την αντλία θερμότητας κυμαίνεται από 7,5 ως 12,2 m 3 /h. Η ροή αυτή ισούται με τη ροή εξόδου του δευτερευόντος ρευστού (νερό) από τον εναλλάκτη. Αντίστοιχα, με βάση μετρήσεις, όπως παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, η μέγιστη ζήτηση ισχύος για ψύξη για το Κτίριο Β ισούται με 147,75 kw. Δεδομένης της μέσης απόδοσης αερόψυκτων αντλιών θερμότητας (COP=1,8), προκύπτει ότι η μέγιστη ψυκτική ανάγκη ισχύος για το Κτίριο Β είναι ίση με 265,95 kw. Συνεπώς, η μέγιστη ροή ψυχρού νερού στον εξατμιστήρα για τις προαναφερθείσες θερμοκρασίες εισόδου-εξόδου παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.2: απαιτούμενη ροή ψυχρού νερού για ψυκτικό αποτέλεσμα R= 265,95 kw Θερμοκρασία Θερμοκρασία εξόδου εισόδου 7 ο C 9 ο C 11 ο C ο C Ροή ψυχρού νερού 18 20,8 25,4 32, ,1 22,9 28, ,6 20,8 25,4 Η μέγιστη ροή, λοιπόν, του ψυχρού νερού προς την αντλία θερμότητας κυμαίνεται από 17,6 ως 32,7 m 3 /h. Η διαστασιολόγηση και η επιλογή των εγκαταστάσεων που θα χρησιμοποιηθούν στα συστήματα του γεωθερμικού εναλλάκτη θα πραγματοποιηθεί με βάση τη μέση ζήτηση ισχύος του ξενοδοχείου (R= 113,63 kw). Ουσιαστικά επιλέγεται η συνεργασία του συστήματος του γεωθερμικού εναλλάκτη με το υπάρχον σύστημα ψύξης του ξενοδοχείου, με σκοπό την κάλυψη των ψυκτικών αναγκών του. 77

84 Το σύστημα του γεωθερμικού εναλλάκτη θα καλύπτει τη μέση ψυκτική ανάγκη του ξενοδοχείου, ενώ οι υπάρχουσες αερόψυκτες αντλίες θερμότητας θα λειτουργούν συμπληρωματικά με σκοπό την κάλυψη της επιπλέον ψυκτικής ζήτησης. Η μέγιστη ημερήσια ψυκτική ζήτηση του Κτιρίου Β, με βάση καταγεγραμένες μετρήσεις στο Κτίριο Β, όπως έχει αναφερθεί, ισούται με R= kw. Αυτό σημαίνει ότι κάποιες ώρες της μέρας (ώρες αιχμής) το σύστημα των υπαρχουσών αερόψυκτων αντλιών θερμότητας θα πρέπει να καλύπτει ψυκτική ισχύ ίση με kw. Με βάση, λοιπόν, τα ονομαστικά χαρακτηριστικά των υπαρχουσών αντλιών θερμότητας, όπως παρουσιάστηκαν στον πίνακα 4.9, βλέπουμε ότι κατά τη μέγιστη εξωτερική θερμοκρασία (tin) ίση με 35 o C και τη θερμοκρασία εξόδου από την αντλία θερμότητας (tout) ίση με 11 o C αποδίδεται ψυκτική ισχύ ίση με 53,38 kw. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η συμπληρωματική λειτουργία τριών αερόψυκτων αντλιών θερμότητας φτάνει για να καλύψει τις επιπλέον ψυκτικές ανάγκες του ξενοδοχείου. Από τις δέκα, λοιπόν, αερόψυκτες αντλίες θερμότητας που λειτουργούν στο ξενοδοχείο θα επιλεγούν, κατόπιν ελέγχου και μέτρησης του συντελεστή απόδοσης, οι τρείς με τα υψηλότερα COP για την κάλυψη των επιπλέον ψυκτικών φορτίων που θα αδυνατεί να καλύψει η λειτουργία του σύστηματος του γεωθερμικού εναλλάκτη. Οι υπόλοιπες αντλίες θερμότητας θα παραμείνουν και θα λειτουργούν ως εφεδρικές στην περίπτωση που υπάρξει κάποια βλάβη στη λειτουργία του συστήματος του γεωθερμικού εναλλάκτη ή των αντίστοιχων τριών αντλιών θερμότητας. Με τον τρόπο αυτό αξιοποιείται το υπάρχον σύστημα ψύξης, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής του συστήματος του γεωθερμικού εναλλάκτη. Πιο συγκεκριμένα, αποφεύγεται η αγορά και η εγκατάσταση υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας για την κάλυψη του συνόλου των ψυκτικών φορτίων και η κατασκευή νέου εφεδρικού συστήματος ψύξεως, που υπό άλλες συνθήκες η ύπαρξη του κρίνεται υποχρεωτική. Τέλος, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως και στις δύο διατάξεις πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ένας εναλλάκτης θερμότητας, με σκοπό την αποφυγή εισόδου του υφάλμυρου νερού στην αντλία θερμότητας για την αποφυγή προβλημάτων διάβρωσης. Ο εναλλάκτης που εκτιμάται να χρησιμοποιηθεί είναι ένας πλακοειδής εναλλάκτης, μια απλή διάταξη του οποίου απεικονίζεται ακολούθως. 78

85 Εικόνα 5.1: Πλακοειδής εναλλάκτης όπου διακρίνονται τα ρέοντα ρευστά Τα πλεονεκτήματα των πλακοειδών εναλλακτών θερμότητας έναντι των άλλων τύπων και οι παράμετροι από τους οποίους εξαρτάται το κόστος κατασκευής τους παρουσιάζονται στο Παράρτημα 1. Κατακόρυφο σύστημα ανοικτού κυκλώματος γεωθερμικού εναλλάκτη Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του συστήματος ψύξης κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη. Το υφάλμυρο νερό που αντλείται από το πηγάδι άντλησης οδηγείται στον πλακοειδή εναλλάκτη και στη συνέχεια επιστρέφει στον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα μέσω ενός πηγαδιού φόρτισης. Ένα δευτερεύον ρευστό (νερό) συνδέεται με τον πλακοειδή εναλλάκτη και την υδρόψυκτη αντλία θερμότητας. Το δευτερεύον ρευστό, κατά την εισαγωγή του στον πλακοειδή εναλλάκτη, ψύχεται και εισέρχεται με μια θερμοκρασία tin στην αντλία θερμότητας και κατόπιν επιστρέφει στον πλακοειδή εναλλάκτη με μια θερμοκρασία tεξ. Η θερμοκρασία εισαγωγής του δευτερεύοντος ρευστού με τη θερμοκρασία εξόδου του θα διαφέρουν ο C. Κατά την έξοδο του δευτερεύοντος ρευστού από την αντλία θερμότητας, μεταφέρεται ενέργεια με τη μορφή θερμότητας προς τον πλακοειδή εναλλάκτη, ίση με Qθερμ. Στην αντλία θερμότητας συνδέεται, επίσης, το ψυχρό νερό του κυκλώματος ψύξης του ξενοδοχείου, εκρέοντας με μια θερμοκρασία εξόδου tout 7-11 o C, μεταφέροντας την απαιτούμενη ψυκτική ενέργεια, Qψυκ.=R, προς το ξενοδοχείο. Για την επίτευξη του αντίστοιχου ψυκτικού αποτελέσματος απαιτείται η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Εηλ., μεγέθους ανάλογου του συντελεστή απόδοσης (COP) της αντλίας θερμότητας, 79

86 σε σχέση με την αποδιδόμενη ψυκτική ισχύ και την παροχή εισαγωγής του δευτερεύοντος ρευστού στην αντλία θερμότητας. Εικόνα 5.2: διάγραμμα ροής κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη t εισ. ΠΛΑΚΟΕΙΔΗΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ Q θερμ. COP t εξ. t in ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Q ψυκ. E ηλ. Π Η Γ Α Δ I Α Ν Τ Λ Η Σ Η Σ Π Η Γ Α Δ I Φ Ο Ρ Τ Ι Σ Η Σ Η μεταφερόμενη ενέργεια από το δευτερεύον ρευστό προς τον πλακοειδή εναλλάκτη, Qθερμ, ισοδυναμεί με το άθροισμα της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, Εηλ., και της αποδιδόμενης ψυκτικής ενέργειας, Qψυκ.=R. Qθερμ. = Qψυκ. + Εηλ. Η οικονομικότερη λειτουργία της αντλίας θερμότητας επιτυγχάνεται με την όσο το δυνατόν μικρότερη θερμοκρασία εισόδου του δευτερεύοντος ρευστού στην αντλία θερμότητας. Στην περίπτωση μας, όμως, θα επιλύσουμε το σύστημα έχοντας ως βάση τη δυσμενέστερη περίπτωση, η οποία ισοδυναμεί με θερμοκρασία εισόδου στην αντλία θερμότητας ίση με 20 ο C. Για τη θερμοκρασία αυτή και για δεδομένη απαιτούμενη ψυκτική ισχύ, ίση με 265,95 kw, η δυσμενέστερη περίπτωση, όπως φαίνεται στον πίνακα 5.2, προκύπτει για παροχή ρευστού προς την αντλία θερμότητας, ίση με 25,4 m 3 /h. Με βάση την παροχή αυτή και τη θερμοκρασία εισόδου και εξόδου υπολογίζουμε το συντελεστή απόδοσης COP της αντλίας θερμότητας. Ο συντελεστής αυτός προκύπτει από τον πίνακα των ονομαστικών χαρακτηριστικών των αντλιών θερμότητας που υπάρχουν στην αγορά. Γενικώς, από την έρευνα αγοράς, θα προτιμηθεί η εγκατάσταση μιας αντλίας θερμότητας με COP 4.5 και άνω που θα πληρεί τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Ο τύπος της αντλίας θερμότητας που πληρεί τα παραπάνω χαρακτηριστικά παρουσιάζεται στο Παράρτημα 2. 80

87 Με βάση το συντελεστή απόδοσης, βρίσκουμε την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια για το απαιτούμενο ψυκτικό φορτίο που επιθυμούμε και κατόπιν τη Qθερμ που εισέρχεται στον πλακοειδή εναλλάκτη. Συνεπώς, για COP 4.5, προκύπτει Qθερμ ίση με 139 kw. Η επιλογή του κατάλληλου τύπου του πλακοειδή εναλλάκτη προκύπτει από τη δεδομένη θερμοκρασία εισόδου του υφάλμυρου νερού, τη θερμοκρασία εξόδου του δευτερεύοντος ρευστού (20 ο C) και τη Qθερμ. Τα δεδομένα αυτά και η υπάρχουσα αγορά μας οδηγούν στην επιλογή του κατάλληλου εναλλάκτη, όπως φαίνεται στο Παράρτημα 2. Οριζόντιο σύστημα ανοικτού κυκλώματος γεωθερμικού εναλλάκτη Η λειτουργία του συστήματος αυτού δεν διαφέρει από τη λειτουργία του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη που αναλύθηκε προηγουμένως. Η διαφορά τους έγκειται στο κατασκευαστικό κομμάτι, καθώς στην περίπτωση του οριζόντιου συστήματος δεν υπάρχουν γεωτρήσεις και η μεταφορά της θερμότητας γίνεται μέσω οριζόντιου κυκλώματος σωλήνων, οι οποίοι βρίσκονται εγκατεστημένοι σε βάθος 3m από την επιφάνεια του εδάφους. Το διάγραμμα ροής του συστήματος παρουσιάζεται ακολούθως στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 5.3: διάγραμμα ροής οριζόντιου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη t εισ. ΠΛΑΚΟΕΙΔΗΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ Q θερμ. COP t εξ. t in ΑΝΤΛΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Q ψυκ. E ηλ. Ένα από τα πλέον σημαντικά κομμάτια της σχεδίασης του οριζόντιου συστήματος αποτελεί η διάταξη των αγωγών μεταφοράς. Στο πλαίσο αυτό πρέπει να εκτιμηθεί η απαιτούμενη έκταση του οικοπέδου εκσκαφής και τοποθέτησης των σωλήνων, το μήκος των σωληνώσεων, η απόσταση και το μήκος των ορυγμάτων. Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται οι απαιτούμενες επιφάνειες εδάφους για την εγκατάσταση των σωληνώσεων και για διάφορες αποστάσεις μεταξύ των ορυγμάτων. 81

88 Πίνακας 5.4: απαιτούμενη έκταση οικοπέδου για διάφορες διαμορφώσεις των οριζόντιων σωληνώσεων εδάφους Διαμόρφωση οριζόντιων σωληνώσεων Απόσταση ορυγμάτων (m) Απαιτούμενη έκταση οικοπέδου (m 2 ) Κανονική 3, Πυκνή 2, Πολύ πυκνή 1, Οι παραπάνω εκτιμήσεις απαιτούμενης έκτασης οικοπέδου τοποθέτησης σωληνώσεων ισχύουν για την περιοχή των Αθηνών, όπου οι θερμοκρασίες εδάφους σε βάθος ως και 4m, είναι απόλυτα ικανοποιητικές, όπως φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 5.5: μηνιαίες (υπολογισμένες) θερμοκρασίες εδάφους στην περιοχή των Αθηνών Βάθος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ 0,5 m m m ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ 0,5 m m m Με μικρότερη απόσταση μεταξύ των ορυγμάτων μειώνεται η απαιτούμενη επιφάνεια εδάφους αλλά αυξάνεται το μήκος των σωληνώσεων (μεγαλύτερος εναλλάκτης θερμότητας εδάφους) για τη διατήρηση της ίδιας δυνατότητας μεταφοράς θερμότητας. Σημείωνεται, βέβαια, πως πολύ πυκνές διαμορφώσεις εμφανίζουν επίδραση στην ευστάθεια του συστήματος και πρέπει να σχεδιάζονται προσεχτικά. 5.5 Επιλογή του κατάλληλου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Όπως είναι κατανοητό η διαφορά των δύο συστημάτων έγκειται στον τρόπο κατασκευής τους. Στο μεν κατακόρυφο γεωθερμικό εναλλάκτη ανοίγονται γεωτρήσεις σε βάθος από m, έως ότου βρεθεί η κατάλληλη θερμοκρασία άντλησης υφάλμυρου νερού. Στο δε οριζόντιο γεωθερμικό εναλλάκτη πραγματοποιείται μια χωματουργική εκσκαφή σε βάθος ως και 3m, όπου τοποθετούνται οι σωλήνες απαγωγής θερμότητας. Η έκταση του οικοπέδου εκσκαφής εξαρτάται από τη θερμική 82

89 αγωγιμότητα του εδάφους της περιοχής και τις επικρατούσες θερμοκρασίες εδάφους σε βάθος ως και 3m. Η δυνατότητα κατασκευής οριζόντιου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη εξαρτάται, επίσης, από τη διαθέσιμη έκταση του οικοπέδου για την τοποθέτηση των αγωγών. Στην περίπτωση μας, κατόπιν επίσκεψης του χώρου, διαπιστώθηκε ότι στην παράκτια ζώνη της περιοχής που είναι πλησίον του Β Κτιρίου του Κεντρικού Ξενοδοχείου και προορίζεται για την εγκατάσταση γεωθερμικού εναλλάκτη, η διαθέσιμη έκταση είναι περιορισμένη. Ακόμη και αν καταφύγουμε στη λύση πολύ πυκνής διαμόφωσης οριζόντιων σωληνώσεων (απόσταση ορυγμάτων 1,5m), η απαιτούμενη έκταση εκσκαφής (1,5 στρ) είναι δύσκολο να ευρεθεί. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι κατασκευές πολύ πυκνής διάταξης δεν είναι και η πιο ενδεδειγμένη λύση, καθώς μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στην ευστάθεια του συστήματος. Μια εναλλακτική λύση θα ήταν η κατασκευή οριζόντιου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη εντός της θάλασσας, αλλά κάτι τέτοιο θα αύξανε υπερβολικό το κόστος κατασκευής και θα απαιτούσε ειδική άδεια εργασιών εντός θαλάσσης. Επιπλέον, η περιοχή τοποθεσίας του Ξενοδοχειακού συγκροτήματος ΣΑΝΗ χαρακτηρίζεται από αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό μας οδηγεί στην εκτίμηση υψηλής θερμοκρασίας εδάφους ακόμη και σε βάθος 3m, η οποία θα καθιστούσε προβληματική τη λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Στην περίπτωση αυτή είτε θα απαιτείτο μεγαλύτερη έκταση εκσκαφής, είτε η λειτουργία του συστήματος δε θα ήταν πολύ αποδοτική. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι ένα ενδεχόμενο πλεονέκτημα της λειτουργίας του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη αποτελεί το γεγονός της προστασίας του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα από υφαλμύρωση λόγω της άντλησης υφάλυρου νερού από την παράκτια ζώνη. Για όλους τους παραπάνω λόγους εκτιμάται ότι βέλτιστη λύση εγκατάστασης γεωθερμικού εναλλάκτη είναι η κατασκευή κατακόρυφου συστήματος ανοικτού κυκλώματος. Στη συνέχεια θα πραγματοποιηθεί μια οικονομική ανάλυση για το κατά πόσο το κατακόρυφο σύστημα γεωθερμικού εναλλάκτη παρουσιάζει ικανοποιητικό όφελος σε σχέση με την υπάρχουσα κατάσταση ψύξης του Κτιρίου Β του Κεντρικού Ξενοδοχείου. 83

90 5.6 Ανάλυση κόστους-οφέλους του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Αρχικά πρέπει να αναφερθεί ότι η οικονομική μελέτη που ακολουθεί αφορά σε προμελέτη σκοπιμότητας. Τα επιμέρους κόστη χωρίζονται σε κόστος κατασκευής του έργου και κόστος λειτουργίας. Πιο αναλυτικά το κόστος κατασκευής αποτελείται από τα παρακάτω στοιχεία κόστους: Μελέτη σκοπιμότητας. Επιθεώρηση του χώρου, Εδαφολογικές/Υδρολογικές μελέτες, Μελέτη σχεδιασμού, Αναλυτικός υπολογισμός κόστους Έργα ανάπτυξης. Αδειοδοτήσεις, Τοπογραφικές μελέτες, Προγραμματισμός έργου Έργα μηχανικού. Σχεδιασμός συστήματος, Εργολαβίες, Επίβλεψη έργου Μηχανολογικός εξοπλισμός. Αντλίες Θερμότητας, Αντλίες κυκλοφορίας, Γεωτρήσεις, Σωληνώσεις, Άλλος μηχανολογικός εξοπλισμός (βάνες, βαλβίδες κτλ.), Κεντρική Ηλεκτρική Εγκατάσταση Τα ετήσια κόστη του συστήματος αναφέρονται σε έξοδα συντήρησης και λειτουργίας καθώς και ενεργειακό κόστος (κόστος ηλεκτρικής ενέργειας). Με βάση τα δεδομένα από τη λειτουργία του υπάρχοντος συστήματος και του προτεινόμενου προκύπτει: Υπάρχον σύστημα αερόψυκτων αντλιών θερμότητας Ψυκτική ισχύς αερόψυκτων αντλιών θερμότητας: CC= kw Ηλεκτρική ισχύς αερόψυκτων αντλιών θερμότητας: EC=63.13 kw Τιμολόγια ηλεκτρικής ενέργειας (Β1) Χρέωση ενέργειας: EP= ευρώ/kwh Χρέωση ισχύος: PP=2.65 ευρώ/kw*μήνα Ωρες και περίοδος λειτουργίας Ισοδύναμες ώρες πλήρους φορτίου: EFLH=700h Περίοδος θερινής λειτουργίας: PSO=7 μήνες Ετήσιο λειτουργικό κόστος αερόψυκτων αντλιών θερμότητας Μέση απόδοση συστήματος αερόψυκτων αντλιών θερμότητας: COP=1.8 Χρέωση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας: Electrical Capacity (EC) * (EFLH) * Electrical Energy Price (EP) = ευρώ Χρέωση ζήτησης ισχύος: Electrical Capacity (EC) * Summer period (PSO) * Power Price (EP) = 1171 ευρώ Ετήσιο λειτουργικό κόστος αερόψυκτων αντλιών: 4096,44 ευρώ 84

91 Προτεινόμενο σύστημα ψύξης Σύστημα γεωθερμικού εναλλάκτη Ψυκτική ισχύς γεωθερμικού εναλλάκτη: CC= kw Ηλεκτρική ισχύς γεωθερμικού εναλλάκτη: EC=25.25 kw Τιμολόγια ηλεκτρικής ενέργειας (Β1) Χρέωση ενέργειας: EP= ευρώ/kwh Χρέωση ισχύος: PP=2.65 ευρώ/kw*μήνα Ωρες και περίοδος λειτουργίας Ισοδύναμες ώρες πλήρους φορτίου: EFLH=700h Περίοδος θερινής λειτουργίας: PSO=7 μήνες Ετήσιο λειτουργικό κόστος γεωθερμικού εναλλάκτη Απόδοση συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη: COP=4.5 Χρέωση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας: Electrical Capacity (EC) * (EFLH) * Electrical Energy Price (EP) = ευρώ Χρέωση ζήτησης ισχύος: Electrical Capacity (EC) * Summer period (PSO) * Power Price (EP) = ευρώ Ετήσιο λειτουργικό κόστος γεωθερμικού εναλλάκτη: ευρώ Ετήσιο λειτουργικό όφελος προτεινόμενης λύσης: ευρώ Λόγω έλλειψης επαρκών δεδομένων, το κόστος κατασκευής δεν μπορεί να εκτιμηθεί ακριβώς. Για το λόγο αυτό θα θεωρηθεί ως μεταβλητή (Cc) και θα προσδιοριστεί μέσα από την ανάλυση κόστους-οφέλους, ακολουθώντας αντίστροφη πορεία. Η οικονομική απόδοση του γεωθερμικού εναλλάκτη εκτιμάται σε ένα χρονικό ορίζοντα 25ετίας που αποτελεί κατά κανόνα και τη διάρκεια ζωής του συστήματος, με κόστος κεφαλαίου 6% και ρυθμό αύξησης των τιμών ενέργειας 2%. Στον επόμενο πίνακα παρουσιάζονται οι τιμές του κόστους κατασκευής ως προς το χρόνο αποπληρωμής της επένδυσης, ανάλογα με τις καθαρές αξίες του κόστους και του οφέλους, όπως έχουν υπολογιστεί. Πίνακας 5.6: τιμές κόστους κατασκευής ανάλογα με το χρόνο αποπληρωμής του έργου Απαιτούμενη τιμή κόστους Χρόνος αποπληρωμής σε έτη κατασκευής (ευρώ)

92 Επιπλέον, μια επένδυση θεωρείται κερδοφόρα όταν ο λόγος οφέλους/κόστους έχει τιμή μεγαλύτερη του 1. Θεωρώντας, λοιπόν, μια ικανοποιητική τιμή του λόγου αυτού ίση με το 1.5, το κόστος κατασκευής πρέπει να μην υπερβαίνει τα ευρώ. Σημειώνεται ότι το αρχικό κεφάλαιο (κόστος κατασκευής) της επένδυσης θα προέρχεται από ίδιους πόρους. Επιπλέον, στην παρούσα ανάλυση κόστους-οφέλους δεν συμπεριλήφθηκε η ενδεχόμενη πτώση του βαθμού απόδοσης του υπάρχοντος συστήματος λόγω φθοράς σε βάθος χρόνου. Κατόπιν πραγματοποίησης έρευνας αγοράς και συζήτησης με προμηθευτές υδρόωυκτων αντλιών θερμότητας, βρέθηκε συγκεκριμένο μονέλο αντλίας θερμότητας πυο καλύπτει τις παραπάνω απαιτήσεις με βαθμό απόδοσης ίσο με 5,43. Στην περίπτωση αυτή πραγματοποιείται εκ νέου ανάλυση κόστους-οφέλους, συνυπολογίζοντας αυτή τη φορά και τη μείωση του βαθμού απόδοσης του υπάρχοντος συστήματος ψύξης με ρυθμό 1% ανά έτος. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον επόμενο πίνακα. Πίνακας 5.7: τιμές κόστους κατασκευής ανάλογα με το χρόνο αποπληρωμής του έργου Απαιτούμενη τιμή κόστους Χρόνος αποπληρωμής σε έτη κατασκευής (ευρώ) , , , , ,44 Αντίστοιχα, ο λόγος οφέλους-κόστους θα ισούται με 1,5 για κόοτος κατασκευής ίσο με 25791,39 ευρώ. 5.7 Περιβαλλοντική απόδοση του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση του συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη, εκφράζοντας τους υπολογισμούς των ρύπων σε ισοδύναμους τόνους CO 2. Όπως έγινε αντιληπτό, με τη χρήση ενός συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη με βαθμό απόδοσης λειτουργίας 4.5, προκύπτει μείωση της ημερήσιας μέσης ηλεκτρικής κατανάλωσης κατά 39.99%. Για να εκτιμηθεί η εκπομπή ρύπων που προκαλεί το σύστημα γεωθερμικού εναλλάκτη είναι αναγκαίος ο προσδιορισμός των εκπομπών ρύπων από το Ελληνικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να είναι δυνατή η έκφραση της 86

93 περιβαλλοντικής επιβάρυνσης της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας ανά kwh καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Ο πίνακας 5.8 παρουσιάζει τη συνεισφορά διάφορων καυσίμων στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του Ελληνικού συστήματος καθώς και τις εκπομπές ρύπων από αυτά. Πίνακας 5.8: συνεισφορά διαφόρων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρισμού και εκπομπές ρύπων από αυτές [38] Τύπος καυσίμου Λιγνίτης Υδροηλεκτρικά Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Συνεισφορά (%) 0,465 0,293 0,188 0,051 Εκπομπή CO 2 (kg/gj) 94,6 0 77,4 56,1 Εκπομπή CH 4 (kg/gj) 0, ,003 0,003 Εκπομπή N 2 O (kg/gj) 0, ,002 0,001 Βαθμός απόδοσης (%) 0,35 1 0,3 0,45 Απώλειες μεταφοράς (%) 0,1 0,1 0,1 0,1 Εκπομπή GHG (t co2 /MWh)* 1, , ,50198 *GHG: Greenhouse Gases, αέρια που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου σε τόνους ισοδύναμου CO2 Η αντίστοιχη εκπομπή αέριων ρύπων του θερμοκηπίου από τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία του υπάρχοντος συστήματος αλλά και του προτεινόμενου ανέρχεται σε 0,254 t CO2 /MWh [2]. Η μέση ημερήσια κατανάλωση του υπάρχοντος συστήματος ψύξης ισοδυναμεί με 1515,07 kwh. Συνεπώς, η ετήσια κατανάλωση του ξενοδοχείου (λειτουργία για 7 μήνες) ανέρχεται σε 318,16 MWh και εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου ίση με t CO2. Λαμβάνοντας υπόψη το βαθμό απόδοσης του προτεινόμενου συστήματος υπολογίζεται η εκπομπή των αερίων του θερμοκηπίου από τη χρήση, που ισοδυναμεί με 32,33 t CO2. 87

94 Συνεπώς, υπάρχει μια ετήσια μείωση των εκπομπών κατά t co2. Αξίζει να σημειωθεί, βέβαια, ότι εξαιτίας του γεγονότος ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα είναι ιδιαίτερα ρυπογόνα λόγω της μεγάλης συνεισφοράς των λιγνιτικών θερμοηλεκτρικών μονάδων, η εκπεμπόμενη ποσότητα αερίων του θερμοκηπίου από τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας θεωρείται αρκετά υψηλή. Το γεγονός αυτό, γενικώς, υποδεικνύει τη μεγάλη συνεισφορά που μπορεί η χρήση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας να έχει στην προστασία του περιβάλλοντος και τη βελτίωση της ατμόσφαιρας στη χώρα μας. Τέλος, η λειτουργία του κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη, λόγω της άντλησης υφάλμυρου νερού από μεγάλο βάθος, ενδέχεται να προστατεύει, παράλληλα, τον υπόγειο υδροφορέα από υφαλμύρωση. 88

95 Κεφάλαιο 6 Συμπεράσματα Σε μια τουριστική χώρα, όπως η Ελλάδα, η πλειοψηφία των ξενοδοχειακών μονάδων πρέπει να αποτελούν χώρους προσφοράς μιας άνετης και ποιοτικής διαμονής του κοινού. Η αρχή, λοιπόν, της λειτουργίας ενός ξενοδοχείου πρέπει να ξεκινά με την κάλυψη των βασικών αναγκών του ανθρώπου (θερμική, οπτική, ακουστική άνεση, ποιότητα αέρα κτλ.) στους χώρους διαμονής του. Για την κάλυψη των αναγκών αυτών, βέβαια, απαιτείται η κατανάλωση σημαντικών ποσών ενέργειας, επιβαρύνοντας το ξενοδοχείο με ένα αρκετά υψηλό κόστος λειτουργίας. Από τις πλέον ενεργοβόρες, μάλιστα, λειτουργίες μιας ξενοδοχειακής μονάδας κρίνεται αυτή της κάλυψης της θερμικής άνεσης του κοινού. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στη λειτουργία του ξενοδοχείου, το οποίο μελετήσαμε, όπου η κάλυψη των ψυκτικών αναγκών και η παροχή ζεστού νερού χρήσης (σύνολο θερμικών φορτίων) αποτελούν το 42% της συνολικής ενεργειακής του κατανάλωσης. Η χρήση συμβατικών μεθόδων κάλυψης των λειτουργικών αυτών απαιτήσεων μπορεί να παρουσιάζεται ως μια γρήγορη, εύκολη και εύχρηστη λύση, αλλά στην πραγματικότητα εγγυμονεί δύο βασικά μειονεκτήματα: Η ευρεία χρήση των συμβατικών αυτών μεθόδων επιβαρύνει και υποβαθμίζει την ποιότητα του περιβάλλοντος από την οποία είναι άρηκτα συνδεδεμένη η οικονομική και βιώσιμη λειτουργία του ξενοδοχείου. Η αύξηση της τιμής των συμβατικών καυσίμων (πετρέλαιο, υγραέριο, φυσικό αέριο) και η χαμηλή απόδοση των συμβατικών μονάδων λειτουργίας (λέβητες πετρελαίου, κλιματιστικά κτλ.) επιβαρύνει με ένα σημαντικό κόστος τη λειτουργία των ξενοδοχείων. Συνεπώς, κρίνεται ως απαραίτητη για ίδιο και κοινωνικό όφελος η στροφή προς την «πράσινη» λειτουργία των ξενοδοχειακών μονάδων. Αυτό μεταφράζεται με τη χρήση εφαρμογών και τεχνολογιών που επιφέρουν εξοικονόμηση ενέργειας, βελτίωση της απόδοσης των εγκαταστάσεων χρήσης και μείωση των επιμέρους απωλειών. Με τον τρόπο αυτό προστατεύεται και βελτιστοποιείται η αξία του περιβάλλοντος και μειώνονται τα λειτουργικά έξοδα της εκάστοτε μονάδας, αποφέροντας ένα πλεόνασμα κεφαλαίου, το οποίο μπορεί να επενδυθεί για την περαιτέρω βελτιώση των υπηρεσιών του ξενοδοχείου. Προς αυτή την κατεύθυνση, η αξιοποίηση της αβαθούς γεωθερμικής ενέργειας, σε συνδυασμό με τη χρήση αντλιών θερμότητας έδειξε ότι μπορεί να σταθεί 89

96 επαρκώς, Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία είναι διαθέσιμη προς αξιοποίηση όλο το χρόνο ανεξάρτητα από τις επικρατούσες εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες και οι αντλίες θερμότητας αποτελούν μονάδες με μεγάλο βαθμό απόδοσης, απαιτώντας χαμηλά ποσά καταναλισκόμενης ενέργειας για τη λειτουργία τους. Ένα τέτοιο σύστημα λειτουργίας μελετήθηκε και προτάθηκε για τη βελτίωση της ψυκτικής λειτουργίας του Β Κτιρίου του Κεντρικου ξενοδοχείου του ξενοδοχειακού συγκροτήματος ΣΑΝΗ στη Χαλκιδική με αρκετά ενθαρυντικά προσδοκόμενα αποτελέσματα. Αρχικά, κατόπιν έρευνας της υπάρχουσας ψυκτικής λειτουργίας του ξενοδοχείου αυτού, απεδείχθη ότι η διάβρωση των εναλλακτών των συμπυκνωτών των υπάρχουσων αερόψυκτων αντλιών θερμότητας που βρίσκονται στο δώμα έχει οδηγήσει στη σημαντική πτώση της απόδοσής τους (COP 1.8). Στην περίπτωση, μάλιστα, που οι αερόψυκτες αντλίες θερμότητας συνεχίσουν να λειτουργούν χωρίς να επέλθει η αντικατάστασή τους ή η λειτουργία ενός άλλου συστήματος ψύξης, το πρόβλημα αυτό θα ενταθεί, μειώνοντας ακόμη περισσότερο το βαθμό απόδοσης του υπάρχοντος συστήματος και αυξάνοντας το λειτουργικό κόστος ψύξης. Το προτεινόμενο σύστημα ψύξης με γεωθερμικό εναλλάκτη επιφέρει την αύξηση του βαθμού απόδοσης λειτουργίας κατά 150% (COP 4.5) και τη μείωση της απαιτούμενης καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας κατά 40%. Οικονομικά αυτό αντιστοιχεί με μια μείωση του κόστους λειτουργίας κατά 40%, αποφέροντας ευρώ ως ετήσιο οικονομικό όφελος. Επιπλέον, η μείωση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας έχει περιβαλλοντικά οφέλη, καθώς επιτυγχάνεται μια ετήσια μείωση των εκπεμπόμενων αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα κατά t CO2. Παράλληλα, όπως έχει προαναφερθεί, η άντληση υφάλμυρου νερού για τη λειτουργία της υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας ενδέχεται να έχει θετικές επιπτώσεις στην προστασία του υπόγειου υδροφορέα από υφαλμύρωση. Όλα αυτά καταδεικνύουν τη χρησιμότητα και ίσως την αναγκαιότητα λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος παροχής ψυκτικών φορτίων. Συνεπώς, προτείνεται να εξεταστεί εκτενέστερα, σε στάδιο μελέτης, η κατασκευή και η λειτουργία ενός κατακόρυφου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη ανοικτού κυκλώματος, έτσι ώστε να εξαχθεί επακριβώς η οικονομική βιωσιμότητα του έργου. Στο πλαίσιο της παρούσας προμελέτης, η ανάλυση κόστους-οφέλους έδειξε ότι για να έχει οικονομική βιωσιμότητα το έργο, το κόστος κατασσκευής του πρέπει να κυμαίνεται από ως ευρώ, με ανάλογο χρόνο αποπληρωμής από 6 ως 10 χρόνια. Απαιτείται, λοιπόν, να πραγματοποιηθεί μια έρευνα αγοράς και ένας 90

97 οικονομικός προγραμματισμός του έργου, ώστε να εξαχθεί πλήρως το μέγεθος της οικονμικής προσφοράς της προτεινόμενης αυτής λύσης. Μια πρώτη, μάλιστα, εικόνα της αγοράς έδειξε ότι η προτεινόμενη διάταξη μπορεί να χρησιμοποιήσει υδρόψυκτη αντλία θερμότητας με βαθμό απόδοσης για ψύξη ίσο με 5,5. Στην περίπτωση αυτή το ετήσιο οικονομικό όφελος αυξάνεται στα 2738,21 ευρώ. Επιπλέον, στην περίπτωση αυτή, η οικονομική βιωσιμότητα του έργου μπορεί να επιτευχθεί για τιμές κόστους κατασκευής από 17949,75 ως 32154,44 ευρώ, με ανάλογο χρόνο αποπληρωμής από 6 ως 10 χρόνια. Στο κομμάτι αυτό αξίζει να αναφερθεί ότι το προσδοκόμενο λειτουργικό όφελος από τη λειτουργία ενός γεωθερμικού εναλλάκτη δύναται να είναι μεγαλύτερο στην περίπτωση που το σύστημα αυτό συνδεόταν με κάποιο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, όπως φωτοβολταϊκά (μηδενικό κόστος λειτουργίας). Ολοκληρώνοντας και συνοψίζζοντας, αντιλαμβανόμαστε ότι η λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος γεωθερμικού εναλλάκτη επιφέρει αρκετά οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη, με αποτέλεσμα να αξίζει η μελέτη της κατασκευής και της λειτουργίας του, με σκοπό την αντικατάσταση του υπάρχοντος συστήματος ψύξης στο Κτίριο Β του Κεντρικου Ξενοδοχείου του Ξενοδοχειακού Συγκροτήματος ΣΑΝΗ. 91

98 Βιβλιογραφία 1. Alteren Ενέργεια και Περιβάλλον ΑΕ, «Αναφορά Ενεργειακής Επιθεώρησης», SANI Beach Hotel/SANI Asterias Suites, Χαλκιδική, Οκτώβριος Γερμανική Σχολή Αθηνών, «Ενεργειακή αναβάθμιση Γερμανικής Σχολής- Τελική Έκθεση», ΑΠΘ/ΕΜΘΠΜ 3. Καγκέλη Ο., Φύτικας Μ., «Χρήση των αντλιών θερμότητας για την αξιοποίηση της γεωθερμίας χαμηλών μέσων θερμοκρασιών», Θεσσαλονίκη, Καραμάνης Ε., «Χρήση της αβαθούς γεωθερμίας», Θεσσαλονίκη, Κατσιφαράκης Κ.Λ., «Γεωθερμική ενέργεια», Θεσσαλονίκη, Μπένου Α,, «Το έργο GROUND-REACH: Επίτευξη των στόχων του Κιότο μέσω ευρύτερης διάδοσης και εφαρμογής των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας (ΓΑΘ) στο δομημένο περιβάλλον», Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ), Παπαγεωργάκης Γ., «Αξιοποίηση της ομαλής γεωθερμικής ενέργειας στον Ελληνικό χώρο», Αθήνα, Παπαγεωργάκης Γ., «Η πρώτη στην Ελλάδα κατοικία με γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης, ψύξης και παραγωγής ζεστού νερού. Εγκατάσταση γεωθερμικού εναλλάκτη και αντλίας θερμότητας νερού-νερού στον Άγιο Δημήτριο Κορωπίου», Αθήνα, Παπαλαζάρου Α., «Μοντελοποίηση και έλεγχος απόδοσης πλακοειδούς εναλλάκτη θερμότητας με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων», Ξάνθη, Πολύζος Σ., «Επιλογή Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας με χρήση του λογισμικού RETScreen. Εφαρμογή στην περιοχή Τρικάλων», Θεσσαλονίκη, Ρεϊζάκη Α., «Πράσινος Τουρισμός. Σημερινά δεδομένα, εξελίξεις & προοπτικές στο Νομό Ηρακλείου», Ηράκλειο, Σύνδεσμος Ελληνικών Τουριστικών Επιχειρήσεων (ΣΕΤΕ), «Ελληνικός Τουρισμός: Στοιχεία & Αριθμοί», Αθήνα, Στεργιούδης Γ., «Επιλογές στην Εφηρμοσμένη Φυσική» Θεσσαλονίκη, Τσίγκας Ε., «Γεωθερμία στα κτίρια», Κτίριο, Τεύχος 110, Φύτικας Μ., Ανδρίτσος Ν., «Γεωθερμία», Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, Φύτικας Μ., «Πρόταση για την έρευνα, μελέτη και εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας στο χώρο των εγκαταστάσεων του ΤΕΦΑΑ και στη 92

99 σχολή Κααλών Τεχνών/ ΑΠΘ στην περιοχή Θέρμης Θεσσαλονίκης», Θεσσαλονίκη, Υφαντής Α., «Εξοικονόμηση ενέργειας με τη χρήση υπόγειων υδάτων υψηλής αλατότητας», Εξοικονόμηση Ενέργειας, Αύγουστος-Σεπτέμβριος Υφαντής Α., «Έργα εξοικονόμησης ενέργειας σε ξενοδοχειακές μονάδες», hotel Σύγχρονος Εξοπλισμός Ξενοδοχείων, Υφαντής Α., «Υβριδικό σύστημα αφαλάτωσης και ψύξης», Λευκή Βίβλος της τεχνολογίας, προϊόντων και υπηρεσιών περιβάλλοντος, Ξενόγλωσση βιβλιογραφία 20. Index of Addenda to ANSI/ASHRAE Standard 34, 8/2/ Johannesson G., «Geothermal Energy-The Icelandic Experience and its Potential for Other Countries», The Eighth Conference of Parliamentarians of the Arctic Region, Fairbanks, Alaska, August 11-14, Kevin R., «An information survival kit for the prospective residential geothermal heat pump owners», Geo-Heat Center, Vol. 18 (2), Kevin R., «Well pumping issues in commercial ground water heat pump systems», Geo-Heat Center, Vol 18 (2), Lund J., Sanner B., Rybach L., Curtis R., Hellstrom G., «Geothermal (Ground Source) Heat Pumps. A World Overview, GHC Bulletin, September Lund J., Freeston D., Boyd T., «Direct utilization of Geothermal Energy Worldwide review» Published in proceedings of the World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, April, 2010 Ηλεκτρονικές πηγές

100

101 Παράρτημα Α Πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας Οι πλακοειδείς εναλλάκτες πλεονεκτούν έναντι των άλλων λόγω του ότι είναι διατάξεις που κατορθώνουν μία υψηλής απόδοσης μεταφορά θερμότητας (55%- 75%) με σχετικά μικρό όγκο. Συγκρινόμενοι με τους πλέον γνωστούς εναλλάκτες κελύφους αυλών, χαρακτηρίζονται από μειωμένο μέγεθος και βάρος, μικρή ανάγκη για στήριξη και με κατάλληλη διευθέτηση της ροής μπορούν να επιτύχουν μεγάλη θερμοκρασιακή προσέγγιση μεταξύ των ρευμάτων. Επιπλέον οι πλακοειδείς εναλλάκτες είναι εξαιρετικά αξιόπιστοι και δεν απαιτούν συχνή συντήρηση. Η συντήρησή τους είναι εύκολη, λόγω της εύκολης αφαίρεσης των πλακών. Το κυριότερο πλεονέκτημα του πλακοειδούς εναλλάκτη είναι ότι παρουσιάζει ευελιξία ως προς την μεταβολή του αριθμού των πλακών του. Έτσι σε περίπτωση που παραστεί ανάγκη, η ολική επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας μπορεί να αυξηθεί προσθέτοντας τον απαιτούμενο αριθμό πλακών. Ένα από τα πλέον σημαντικά κομμάτια για την ορθή και αποδοτική λειτουργία μιας εφαρμογής είναι η επιλογή του καταλληλότερου εναλλάκτη μέσα από μια πληθώρα ετοιμοπαράδοτων εναλλακτών θερμότητας διαφόρων τύπων. Οι παράγοντες που καθορίζουν την απόφαση αυτή είναι πολλοί και με διαφορετικό συντελεστή βαρύτητας ο καθένας. Οι κυριότεροι από τους παράγοντες αυτούς είναι οι ακόλουθοι: Ο Ρυθμός Μεταφοράς Θερμότητας Ο ρυθμός Μεταφοράς Θερμότητας είναι η σημαντικότερη ποσότητα κατά την επιλογή ενός εναλλάκτη. Ο εναλλάκτης που θα επιλεχθεί θα πρέπει να εξασφαλίσει ένα συγκεκριμένο ρυθμό μεταφορά θερμότητας, ώστε να επιτευχθεί η θερμοκρασιακή μεταβολή στο ρευστό σε καθορισμένη παροχή μάζας. Το Κόστος Οι οικονομικοί περιορισμοί παίζουν σημαντικότατο ρόλο στην επιλογή των εναλλακτών. Οι ετοιμοπαράδοτοι εναλλάκτες κοστίζουν πολύ λιγότερο από τους κατά παραγγελία εναλλάκτες, ωστόσο ενδέχεται κανένας από τους υπάρχοντες στην αγορά εναλλάκτες να μη μπορεί να επιτελέσει την εργασία για την οποία προορίζεται. Η Πτώση Πίεσης Η Πτώση πίεσης δημιουργείται μέσα στον εναλλάκτη από τις συνθήκες ροής των ρευστών και σχετίζεται άμεσα με την ισχύ άντλησης. Αυξημένες πτώσεις πίεσης εντός του εναλλάκτη αυξάνουν την ισχύ άντλησης και συνεπώς το λειτουργικό κόστος του εναλλάκτη, διότι τα βοηθητικά εξαρτήματα (αντλίες, ανεμιστήρες) που 95

102 χρησιμοποιούνται για την άντληση των ρευστών καταναλώνουν ενέργεια. Πέρα από τον οικονομικό παράγοντα, και οι απαιτήσεις της διεργασίας συχνά επιβάλλουν μικρή πτώση πίεσης, διότι ενδέχεται τα κατασκευαστικά υλικά να μην αντέχουν τις τάσεις αυξημένων πιέσεων και θερμοκρασιών. Ωστόσο, η μειωμένη πτώση πίεσης δεν αποτελεί κανόνα, διότι έχει παρατηρηθεί ότι μειώνεται ταυτόχρονα ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας και συνεπώς θα χρειαστεί ένας μεγαλύτερος εναλλάκτης για να επιτελέσει το ίδιο καθήκον. Με αυτή τη λογική αυξάνεται πάλι το αρχικό κόστος αγοράς. Συνεπώς απαιτείται να βρεθεί μια χρυσή τομή ανάμεσα στην πτώση πίεσης και το μέγεθος του εναλλάκτη. Το Μέγεθος και το Βάρος Γενικά είναι προτιμότερο ο εναλλάκτης θερμότητας να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος και ελαφρύτερος. Το Είδος και οι Ιδιότητες των Ρευστών Το είδος του εναλλάκτη θερμότητας που επιλέγεται επηρεάζεται από τις ιδιότητες και τη χημική συμπεριφορά των ρευστών. Τα Υλικά Κατασκευής Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός εναλλάκτη ενδέχεται να μην αντέχουν κάτω από ορισμένες συνθήκες λειτουργίας, όπως μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές. Σε αυτήν την περίπτωση τίθεται πρόβλημα διαφορικής θερμικής διαστολής. Επιπλέον όταν γίνεται χρήση διαβρωτικού ρευστού περιορίζονται οι δυνατότητες επιλογής των μετάλλων και συνήθως χρησιμοποιείται το ανοξείδωτο ατσάλι ή το τιτάνιο, τα οποία είναι σχετικά ακριβά υλικά. Άλλοι Παράγοντες Υπάρχουν και ορισμένοι άλλοι πολλοί σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την τελική επιλογή, όπως η ασφάλεια και η αξιοπιστία του εναλλάκτη, η στεγανότητα για την αποφυγή διαρροών, η ευκολία στη συντήρηση και την επισκευή καθώς επίσης και το χαμηλό επίπεδο θορύβου. Πολλές φορές, βέβαια, και ανάλογα με τη διάταξη στην οποία πρόκειται να ενσωματωθεί ο εναλλάκτης, η ήδη υπάρχουσα αγορά ετοιμοπαράδοτων εναλλακτών δεν επαρκεί. Σ αυτή την περίπτωση είναι αναγκαία, κατόπιν σύστασης συγκεκριμένης μελέτης, να χρησιμοποιηθεί εναλλάκτης ειδικής παραγγελίας, το οποίο φυσικά ανεβάζει το κόστος κατασκευής. 96

103 Παράρτημα Β Ονομαστικά χαρακτηριστικά και σχέδια τύπου πλακοειδούς εναλλάκτη και υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας 97

104 98

105 99

106 100

107 101

108 102