ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων. Διπλωματική Εργασία. Συγγραφή: Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα Α.Μ.

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων Διπλωματική Εργασία Θέμα: "Βέλτιστοι τύποι υλικών για την εκμετάλλευση της αβαθούς γεωθερμίας στην ψύξη και στην θέρμανση κτιρίων για χρήση κατοικίας στον ελλαδικό χώρο". Συγγραφή: Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα Α.Μ. 511/ Επιβλέπων καθηγητής: Ζαχαρόπουλος Νικόλαος Εξεταστική επιτροπή: Ζαχαρόπουλος Νικόλαος Παπανίκος Παρασκευάς Μουλιανίτης Βασίλειος Σύρος

2 Δηλώνω υπεύθυνα, ότι η διπλωματική εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και κανένα μέρος της δεν είναι αντιγραμμένο από έντυπες ή ηλεκτρονικές πηγές, μετάφραση από ξενόγλωσσες πηγές ή αναπαραγωγή από εργασίες άλλων ερευνητών ή φοιτητών. Όπου έχω βασιστεί σε ιδέες ή κείμενα άλλων, έχω προσπαθήσει με όλες μου τις δυνάμεις να το προσδιορίσω σαφώς μέσα από την καλή χρήση αναφορών ακολουθώντας την ακαδημαϊκή δεοντολογία. 2

3 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Νικόλαο Ζαχαρόπουλο για την καθοδήγηση, την υποστήριξη και τον πολύτιμο χρόνο, που μου προσέφερε για την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Θα ήθελα, ιδιαίτερα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την αγάπη και την στήριξη που μου έδειξαν καθ όλη τη διάρκεια της φοίτησης μου στη Σύρο καθώς και για την εμπιστοσύνη, την υπομονή, και την κατανόησή τους, καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας αυτής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω και τους αγαπημένους μου φίλους, που με τη συμπαράστασή τους κατάφερα να ολοκληρώσω το έργο αυτο. 3

4 Πίνακας Περιεχομένων Πίνακας Περιεχομένων 4 Λίστα Εικόνων 5 Εισαγωγή 8 1. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανάλυση Γεωθερμικής Ενέργειας Ορισμός Υψηλής Ενθαλπίας Ορισμός Μέσης Ενθαλπίας Ορισμός Χαμηλής Ενθαλπίας Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Εφαρμογές στο Εξωτερικό Εφαρμογές στην Ελλάδα Γεωθερμία Χαμηλής Ενθαλπίας στην Ελλάδα-Περίπτωση Χρήσης Γεωθερμικοί Πόροι Μέθοδοι Γεωτρήσεων Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας Τρόπος Λειτουργίας Κατηγορίες Αντλιών Θερμότητας Παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση τους Είδη Γεωθερμικών Συστημάτων Ανοιχτά Γεωθερμικά Συστήματα Κλειστά Γεωθερμικά Συστήματα Γεωθερμικό Σύστημα Κάθετων Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Γεωθερμικό Σύστημα Οριζόντιων Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Γεωθερμικό Σύστημα Σπειροειδών Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Άλλα Γεωθερμικά Συστήματα Ανάλυση των σωληνώσεων ανά κατηγορία γεωθερμικών συστημάτων Ανοιχτού Κυκλώματος Γεωθερμικά Συστήματα Το υλικό των σωληνώσεων Η γεωμετρία και τύπος των σωληνώσεων Το υγρό που ρέει μέσα στους σωλήνες Κλειστού Κυκλώματος Γεωθερμικά Συστήματα Το υλικό των σωληνώσεων Η γεωμετρία και τύπος των σωληνώσεων 39 4

5 4.2.3 Το υγρό που ρέει μέσα στις σωληνώσεις Τα είδη των υγρών που χρησιμοποιούνται σε κλειστού κυκλώματος γεωθερμικά συστήματα Σύγκριση Υλικών για κλειστό (οριζόντιο/κατακόρυφο) γεωθερμικό σύστημα μελέτη εναλλακτικών προτάσεων Το πολυαιθυλένιο Ο χαλκός Επιλογή υλικού βάσει γεωμετρικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών των σωληνώσεων Μελέτη για υβριδικό (σύνθετο) υλικό Χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης Ιδιότητες Σύνθετου Συμπεράσματα Βιβλιογραφία 74 Λίστα Εικόνων 5

6 Εικόνα 1.1 Περίπτωση (α) παρουσιάζονται τα ποσοστά της εγκατεστημένου γεωθερμικού δυναμικού ανά τον κόσμο, Energies (2010) 21 Εικόνα 1.2 Περίπτωση (β) παρουσιάζονται τα ποσοστά της συνολικής ενεργειακής χρήσης ανά τον κόσμο, Energies (2010) 22 Εικόνα 1.3 Ποσοστιαία κατανομή των εφαρμογών της γεωθερμίας στον ελλαδικό χώρο σύμφωνα με τις μετρήσεις του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ΚΑΠΕ (2005) 24 Εικόνα 2.1 Ενδεικτική λειτουργία μιας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας 28 Πίνακας 2.1: Σύγκριση μεταξύ των GSHP και ASHP, Fawcett (2011) 29 Εικόνα 3.1 Ενδεικτικό γεωθερμικό σύστημα κάθετων γεωεναλλακτών σε απλή κατοικία 33 Εικόνα 3.2 Ενδεικτικό γεωθερμικό σύστημα οριζόντιων γεωεναλλακτών σε απλή κατοικία. 34 Εικόνα 4.1 Ενδεικτική εικόνα ανοιχτού γεωθερμικού συστήματος σε κατοικία. 35 Εικόνα 4.2: Οριζόντιο και κάθετο γεωθερμικό σύστημα με γεωσυλλέκτη σε οριζόντια και κάθετη μορφή. 40 Εικόνα 4.3: Η διατομή ενός σωλήνα κατά την εγκατάσταση του στη τάφρο,underground Installation Of PE Piping 42 Πίνακας 4.1: Φυσικοχημικές ιδιότητες διαλυμάτων, Ψαρράς (2012) 44 Εικόνα 5.1 Κατανομή των υλικών (πολυμερή-μέταλλα) συναρτήσει της θερμικής αγωγιμότητας και του κόστους ανά μονάδα όγκου 46 Εικόνα 5.2 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σωλήνα που υπεισέρχονται στις ανισότητες των περιορισμών 50 Εικόνα 5.3 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρο του Young - κόστος ανά μονάδα όγκου) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων 52 Εικόνα 5.4 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρο του Young - θερμική αγωγιμότητα) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων 53 Εικόνα 5.5 Διάγραμμα ιδιοτήτων (όριο διαρροής - κόστος ανά μονάδα όγκου) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων 55 Εικόνα 5.6 Διάγραμμα ιδιοτήτων (όριο διαρροής - θερμική αγωγιμότητα) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων 56 Εικόνα 5.7 Διάγραμμα αντίστροφης ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας του βάρους του εδάφους 58 Εικόνα 5.8 Διάγραμμα αντίστροφης ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι η διαρροή των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας της πίεσης του υγρού 60 Εικόνα 6.1 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ειδική αντοχή - ειδική ακαμψία) όπου φαίνεται η σχετική θέση 3101 υλικών - οι χρωματισμένες περιοχές αντιστοιχούν σε χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης 62 6

7 Εικόνα 6.2 Διαφορετικές γεωμετρίες ενίσχυσης για αντοχή (α) σε λυγισμό και (β) σε πίεση 63 Εικόνα 6.3 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρου του Young - κόστος ανά μονάδα όγκου) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 66 Εικόνα 6.4 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρου του Young - θερμική αγωγιμότητα) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 67 Εικόνα 6.5 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ορίου διαρροής - κόστος ανά μονάδα όγκου) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 68 Εικόνα 6.6 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ορίου διαρροής - θερμική αγωγιμότητα) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 69 Εικόνα 6.7 Διάγραμμα ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας του βάρους του εδάφους με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 70 Εικόνα 6.8 Διάγραμμα ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι η διαρροή των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας της πίεσης του υγρού με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο 71 7

8 Εισαγωγή Στην παρούσα εργασία θα αναλυθεί η έννοια της γεωθερμίας, ως μια από τις πλέον διαδεδομένες, αλλά ελάχιστα αξιοποιημένη στη χώρα μας, ανανεώσιμη μορφή ενέργειας. Θα γίνει αναφορά στον τρόπο εκμετάλλευσής της, τόσο σε διεθνές όσο και σε εγχώριο επίπεδο, καθώς και στα γεωθερμικά συστήματα, που συνθέτουν τη διαδικασία εκμετάλλευσης της. Γεωθερμία είναι η ενέργεια, που βρίσκεται αποθηκευμένη κάτω από την επιφάνεια της Γης, δηλαδή στο υπέδαφος, σε υπόγεια ύδατα, αλλά και στο θερμό αέρα. Πρόκειται για μια ανεξάντλητη και καθαρή πηγή ενέργειας, με θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 25 έως 350 C και διακρίνεται σε διάφορα είδη, ανάλογα με το βάθος εκμετάλλευσής της. Ένα από τα είδη, που θα μας απασχολήσει σημαντικά στην προκειμένη έρευνα για τα γεωθερμικά συστήματα, αλλά και τα μηχανικά μέρη, που αποτελούν αυτά, είναι η αβαθής γεωθερμία, της οποίας το βάθος εκμετάλλευσης δεν υπερβαίνει τα 150m και είναι κατάλληλη για την ψύξη, τη θέρμανση και την παραγωγή θερμού νερού χρήσης σε οικιακές και λοιπές κτιριακές εγκαταστάσεις. Σε βάθη μεγαλύτερα των 150m, η γεωθερμία δεν θεωρείται αβαθής και αξιοποιείται αποκλειστικά και μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τρία βασικά μηχανικά μέρη, που απαρτίζουν τα γεωθερμικά συστήματα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στην αβαθή γεωθερμία, είναι η γεωθερμική αντλία θερμότητας, ο γεωθερμικός εναλλάκτης και η εσωτερική εγκατάσταση θέρμανσης και ψύξης του κτιρίου. Θα γίνει αναφορά στην έννοια της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας, που πρακτικά είναι μια συσκευή, η οποία, με τη βοήθεια της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να μεταφέρει θερμότητα από ένα ψυχρότερο χώρο σε ένα θερμότερο, ακριβώς όπως λειτουργεί ένα απλό κλιματιστικό μηχάνημα. Όμως το μεγαλύτερης σημασίας, για την εργασία, τμήμα του γεωθερμικού συστήματος είναι ο γεωθερμικός εναλλάκτης, για τον οποίο θα πραγματοποιηθεί αναλυτική προσέγγιση, ως προς το υλικό κατασκευής του και θα προταθούν οι βέλτιστες λύσεις με βάση το κόστος και τη θερμική αγωγιμότητα. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

9 Στόχος Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη των ήδη υπαρχόντων γεωθερμικών συστημάτων στην αβαθή γεωθερμία και πιο συγκεκριμένα, η ανάλυση των υλικών, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των σωληνώσεων, που θα πρέπει να τοποθετούνται στο υπέδαφος για την άντληση της θερμότητας και τη μεταφορά της από και προς το εσωτερικό ενός κλειστού χώρου. Θα γίνει παρουσίαση και σύγκριση των δυο ιδανικότερων υλικών, με βάση το κόστος και τη θερμική αγωγιμότητα, προκειμένου να εξευρεθεί ο βέλτιστος τύπος υλικού, για την κατασκευή των σωληνώσεων, που θα είναι κατάλληλες για τα οριζόντια και κάθετα γεωθερμικά συστήματα κλειστού κυκλώματος, σε μέγιστο βάθος 150m. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

10 1. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Με τον όρο "ανανεώσιμες πηγές ενέργειας" εννοούμε τις μορφές ενέργειας, οι οποίες προέρχονται από την εκμετάλλευση των στοιχείων της φύσης, όπως ειδικότερα του αέρα, της γης, του ήλιου, της κίνησης του αέρα, κτλ. Ο όρος "ανανεώσιμη πηγή ενέργειας" (ΑΠΕ) είναι αλληλένδετος με τον όρο "πράσινη ενέργεια" και στις μέρες μας κατακτά όλο και περισσότερο έδαφος, ως η πιο ελπιδοφόρα μορφή ενέργειας για την θέρμανση και την ψύξη κτηρίων, καθώς και για την παραγωγή ηλεκτρισμού, σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες, όπως είναι το πετρέλαιο και ο άνθρακας. Τα πλεονεκτήματα τους συνίστανται στο ότι είναι ιδιαίτερα φιλικές με το περιβάλλον, είναι ανεξάντλητες σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, βοηθούν στην ενεργειακή αυτάρκεια μικρών αναπτυσσόμενων χωρών και αποτελούν μια εναλλακτική πρόταση σε σχέση προς το υψηλό κόστος του πετρελαίου, ενώ ο εξοπλισμός, που απαιτείται για την εγκατάσταση και τη συντήρηση ενός τέτοιου συστήματος παραγωγής ενέργειας, είναι απλός και έχει μεγάλο όριο ζωής. Οι πλέον ευρέως διαδεδομένες μορφές ΑΠΕ είναι η ηλιακή και η αιολική, καθόσον εκτιμήθηκαν ως οι πιο αξιόλογες για εκμετάλλευση στα περισσότερα κράτη της Ευρώπης, αλλά και του υπόλοιπου κόσμου. Εξίσου σημαντικές, ωστόσο, είναι η κινητική ενέργεια των κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η ενέργεια της βιομάζας, η υδροηλεκτρική ενέργεια, η ενέργεια του υδρογόνου και η γεωθερμική ενέργεια. Ηλιακή ενέργεια Ηλιακή ενέργεια είναι η ενέργεια, που προέρχεται από τον ήλιο, αξιοποιείται με τρόπο ώστε να παράγει θερμότητα και ηλεκτρισμό και είναι ουσιαστικά ανεξάντλητη, αφού δεν υπάρχει ο περιορισμός του χώρου και του χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Η Γη δέχεται ετήσια ηλιακή ενέργεια με ακτινοβολία της τάξης 173 *1015 Watt. Σε ένα 24ώρο κάθε τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της γης δέχεται κατά μέσο 4-6 KWh ηλιακής ενέργειας με ακτινοβολία KWh/m ετησίως [Παπαζής, 1998]. Η ποσότητα αυτή είναι περίπου διπλάσια από εκείνη, που θα μπορέσει ποτέ να αντληθεί από το σύνολο των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας της Γης, όπως είναι, για παράδειγμα, το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο, ο άνθρακας, και παράλληλα περισσότερη από αυτή, που καταναλώνει σήμερα ο άνθρωπος σε διάστημα ενός έτους. Τα φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα είναι αυτά, που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων με το ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

11 Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν, παραδοσιακά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα για την ηλεκτροδότησή τους. Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι τεράστια, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας, που δέχεται η χώρα μας. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από φωτοβολταϊκά έχει ένα ισχυρό πλεονέκτημα και τούτο είναι το γεγονός ότι αποδίδει την μέγιστη ισχύ της κατά τη διάρκεια της ημέρας, όποτε παρουσιάζεται και η μέγιστη ζήτησή της. Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια ή αλλιώς η ενέργεια του ανέμου χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο ήδη από την αρχαιότητα. Αποτελεί μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση για την παραγωγή ηλεκτρισμού, δεδομένου ότι πρόκειται για μια, επίσης, ανεξάντλητη μορφή ενέργειας, που παρέχεται δωρεάν από το περιβάλλον σαν φυσικό αγαθό, και δεν προκαλεί ρύπους ούτε άλλες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, σε αντίθεση με τα συμβατικά καύσιμα. Η εκμετάλλευση του ανέμου γίνεται με τις γνωστές ανεμογεννήτριες, που τοποθετούνται σε ανεμώδεις περιοχές, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται τα λεγόμενα αιολικά πάρκα. Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές, οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια και ειδικότερα, επιτυγχάνεται αυτή κατά μεν το πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής, η οποία μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική δια της περιστροφής του άξονά της, κατά δε το δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, η οποία μετατρέπει στη συνέχεια τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Στην Ελλάδα παρατηρείται μεγάλος αριθμός αιολικών πάρκων, κυρίως στη νησιωτική χώρα, όπου οι δυνατοί άνεμοι είναι το χαρακτηριστικό της και ιδιαιτέρα κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Το εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό εκτιμάται ότι αντιπροσωπεύει το 13,6% του συνόλου των ηλεκτρικών αναγκών της χώρας. Η αιολική ενέργεια είναι μέχρι σήμερα η πιο πετυχημένη μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας και η αειφόρος τεχνολογία, που την εκμεταλλεύεται θεωρείται ώριμη και οικονομικά ανταγωνιστική, ενώ, εξάλλου, ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και την ασφαλή χρήση της. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

12 Κινητική ενέργεια κυμάτων Η ενέργεια των κυμάτων συνιστά μορφή πράσινης ενέργειας και δεν επηρεάζεται από τις βραχείες τοπικές κλιματικές επιδράσεις. Τα θαλάσσια κύματα μπορούν να αποδώσουν ενεργειακή ισχύ ανώτερη των 2TW σε παγκόσμιο επίπεδο [Yem, 2008]. Ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά των θαλασσίων κυμάτων είναι η μεγάλη ενεργειακή τους πυκνότητα, η οποία είναι και η υψηλότερη σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές ενέργειας. Ένα σύστημα κυματικής ενέργειας μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο στον ωκεανό και να παράγει ενέργεια, μπορεί επίσης είτε να είναι αγκυρωμένο στο πυθμένα ή ακόμα και πλωτό ανοιχτά της θάλασσας, ή και εγκατεστημένο σε παράλια νερά. Μπορεί δηλαδή τούτο να είναι είτε ολόκληρο βυθισμένο στο νερό είτε τοποθετημένο πάνω από τη θαλάσσια επιφάνεια επάνω σε μία πλωτή πλατφόρμα. Για την περίπτωση, που έχει επιλεχθεί η τοποθέτηση του συστήματος τούτου στην επιφάνεια της θάλασσας, απαιτείται η εγκατάσταση μέσα στην πλωτή πλατφόρμα μιας τουρμπίνας, την οποία η κινητική ενέργεια των κυμάτων έχει τη δύναμη να περιστρέφει, ενώ παράλληλα η ανυψωτική κίνηση του κύματος πιέζει τον αέρα προς τα επάνω μέσα στο θάλαμο και θέτει έτσι σε περιστροφική κίνηση την τουρμπίνα, οπότε η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ρεύμα. Αυτός είναι ένας ενδεικτικός τύπος εκμετάλλευσης της ενέργειας των κυμάτων. Παλιρροϊκή ενέργεια Ενώ η κινητική ενέργεια των κυμάτων, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, παράγεται από την ένταση του ανέμου στους ωκεανούς, η παλιρροϊκή ενέργεια έχει απόλυτη συνάρτηση με τη βαρυτική έλξη της Σελήνης. Πιο συγκεκριμένα ένα απλό σύστημα παραγωγής ενέργειας από παλίρροιες δημιουργείται κυρίως από ένα φράγμα, στην εκβολή ενός ποταμού ή στην ακτή μιας θάλασσας, όπου παρατηρείται το φαινόμενο της παλίρροιας. Κάποιες θύρες, που κατασκευάζονται στο φράγμα, επιτρέπουν την είσοδο θαλασσίου ύδατος σε δεξαμενή, η οποία έχει τοποθετηθεί πίσω από το φράγμα. Έτσι, η κίνηση του νερού προς τη δεξαμενή, κατά την άνοδο της παλίρροιας και από την δεξαμενή κατά την άμπωτη, κινεί τουρμπίνες και γεννήτριες, που εν τέλει παράγουν ηλεκτρισμό. Η αξιοποίηση της παλιρροϊκής ενέργειας χρονολογείται εδώ και εκατοντάδες χρόνια πριν, αφού με τα νερά, που δεσμεύονταν στις εκβολές ποταμών από την παλίρροια, κινούνταν νερόμυλοι. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

13 Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας στην ακτή κατά την πλημμυρίδα, δηλαδή τη φάση της παλίρροιας, κατά την οποία η στάθμη του νερού ανυψώνεται, μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε κατά την άμπωτη, τη φάση δηλαδή της παλίρροιας που το νερό υποχωρεί, τα αποθηκευμένα νερά ελευθερώνονται και κινούν υδροστρόβιλο, όπως στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Τα πλέον ευνοϊκά μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. Η διαφορά μεταξύ της στάθμης του νερού κατά την άμπωτη και την πλημμυρίδα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10m. Όμως τα φράγματα αυτά, αξίζει να επισημανθεί, λειτουργούν στις περιόδους κατά τις οποίες συμβαίνει το φαινόμενο της παλίρροιας, λόγος για τον οποίο αντί της κατασκευής αυτών των μεγάλων και περιβαλλοντικά μη φιλικών παλιρροϊκών φραγμάτων, βρίσκει καλύτερη εφαρμογή η εναλλακτική τεχνολογική λύση της τοποθέτησης στον πυθμένα της θάλασσας ή του ποταμού μηχανημάτων, που ομοιάζουν με ανεμογεννήτριες και εκμεταλλεύονται την ταχύτητα των παλιρροϊκών ρευμάτων σε κανάλια, κοντά σε παράκτιες περιοχές. Μία παλιρροϊκή γεννήτρια εκμεταλλεύεται τέσσερις φορές περισσότερη ενέργεια ανά m 2 ή στροφείο από μια ανεμογεννήτρια, λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας των παλιρροϊκών ρευμάτων [Fraenkel, 2007]. Ενέργεια της βιομάζας Η ενέργεια της βιομάζας ή αλλιώς βιοενέργεια έχει ως βασικό πλεονέκτημα το ότι παρέχει ενέργεια, που είναι αποθηκευμένη σε χημική μορφή. Είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, διότι στην πραγματικότητα είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια, η οποία δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά το στάδιο της φωτοσύνθεσης. Η ενέργεια αυτή είναι εκμεταλλεύσιμη δια της μετατροπής της σε άλλα προϊόντα, πράγμα που μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες μεθόδους και με σχετικά απλή τεχνολογία. Σημαντικό, επίσης, πλεονέκτημά της είναι το ότι κατά την παραγωγή και τη μετατροπή της δεν προκαλεί περιβαλλοντικές επιπτώσεις ούτε δημιουργεί οικολογικά προβλήματα. Η καύση της βιομάζας δεν συνεισφέρει αρνητικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, καθώς οι ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, που εκλύονται, δεσμεύονται εκ νέου από τα φυτά για τη δημιουργία βιομάζας, και είναι ως εκ τούτου σχεδόν μηδαμινή η ύπαρξη θείου κατά την παραγωγή βιοενέργειας. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, αυξάνει την εργασιακή απασχόληση σε αγροτικές περιοχές, με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών, που ως αποτέλεσμα έχουν την άνθιση των εναλλακτικών αγορών, γεγονός που αυτονόητα ωφελεί την κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη στις αντίστοιχες περιοχές. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

14 Από την άλλη πλευρά όμως, ως βασικό μειονέκτημά της ορίζεται το γεγονός ότι, σαν μορφή ενέργειας, η βιομάζα έχει πολύ χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, και τούτο εξαιτίας της χαμηλής πυκνότητάς της, αλλά και της υψηλής περιεκτικότητάς της σε νερό, πράγμα, που καθιστά ενδεχομένως προβληματική τη διαδικασία κατά τη συλλογή, τη μεταφορά και την αποθήκευσή της. Ωστόσο, η έρευνα και η τεχνολογική πρόοδος, που έχει πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια, έχουν καταστήσει τις τεχνολογίες ενεργειακής μετατροπής της βιομάζας εξαιρετικά ελκυστικές σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι προοπτικές της βιοενέργειας καθίστανται διαρκώς μεγαλύτερες και πιο ελπιδοφόρες. Στις περισσότερο μάλιστα προηγμένες οικονομικά χώρες, αναμένεται στο μέλλον να καλύπτει σημαντικό τμήμα της ενεργειακής παραγωγής. Υδροηλεκτρική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια ή αλλιώς υδραυλική είναι η μορφή ενέργειας, που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο, με τη συγκέντρωση μεγάλης ποσότητας ύδατος σε υψομετρική διαφορά από την συνεχή ροή του ελεύθερου ύδατος σε ποτάμια και θάλασσες, εκφράζεται δε ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική αυτή ενέργεια αξιοποιείται, ακολούθως, αυτούσια με τη χρήση νερόμυλων, οπότε μετατρέπεται σε ηλεκτρική, αλλά και σε άλλες μορφές ενέργειας, η οποία αποθηκεύεται μέχρι τη στιγμή που θα χρειαστεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις για την κάλυψη αναγκών. Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων στηρίζεται στη κίνηση του νερού, που προκαλείται από τη διαφορά ύψους μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου. Για το σκοπό αυτό κατασκευάζεται ένα φράγμα, το οποίο συγκρατεί την απαιτούμενη ποσότητα ύδατος στον δημιουργούμενο ταμιευτήρα, διέρχεται από τον αγωγό πτώσεως και κινεί έτσι ένα στρόβιλο, ο οποίος θέτει σε λειτουργία τη γεννήτρια. Η ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας εξαρτάται, κυρίως, από τον όγκο αφενός του ρέοντος ύδατος και από τη διαφορά ύψους αφετέρου μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από τον όγκο του νερού στον ταμιευτήρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα υδροηλεκτρικά έργα κατασκευάζονται και τοποθετούνται μόνο σε περιοχές με σημαντικές βροχοπτώσεις, με πλούσιες πηγές και με κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση. Συνήθως, η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας έτσι φορτία αιχμής, σε περιπτώσεις έλλειψης άλλων μορφών. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

15 Σήμερα, τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα ανέρχονται παγκοσμίως σε 300 και έχουν εγκατεστημένη ονομαστική ισχύ 650GW. Η εγκατάσταση και λειτουργία τους άπτεται σοβαρών κοινωνικών και περιβαλλοντικών προβλημάτων, καθώς προκαλούν σημαντική διακοπή των φυσικών ενεργειακών ροών [World Commission on Dams, 2001] Η Ενέργεια του Υδρογόνου Το υδρογόνο είναι μια μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, που δεν υπάρχει στη φύση υπό τη μορφή καθαρού αερίου, αλλά παράγεται από ορυκτούς πόρους, όπως είναι ο άνθρακας και το φυσικό αέριο, από το νερό και από τη βιομάζα. Πέρα από τις πολλές και ενδιαφέρουσες χρήσεις του στη χημική βιομηχανία, το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε κατάλληλα τροποποιημένους καυστήρες, λέβητες και κινητήρες εσωτερικής καύσης και έλκει έτσι το ενδιαφέρον σχετικά με την εναλλακτική αξιοποίησή του. Σημειώνεται όμως ότι η καύση του υδρογόνου παράγει μεν νερό, αλλά λόγω των υψηλών θερμοκρασιών καύσης, παράγονται συγχρόνως και οξείδια του αζώτου. Μια ιδιαίτερα εντυπωσιακή ενεργειακή εφαρμογή του υδρογόνου είναι οι κυψέλες καυσίμου, οι οποίες αποτελούν νέα τεχνολογία, που επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρισμού από την ένωση του υδρογόνου και του οξυγόνου, που υπάρχουν στον αέρα. Η λειτουργία των κυψελών είναι αντίστροφη από αυτήν της ηλεκτρολυτικής μονάδας και παρομοιάζεται με τη λειτουργία μιας μπαταρίας, πλεονεκτεί όμως έναντι αυτής, αφού δεν υφίσταται ο περιορισμός της εξάντλησης του καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμων μπορούν να αντικαταστήσουν τις μηχανές εσωτερικής καύσης στα οχήματα και να παρέχουν ενέργεια σε σταθερές και κινητές εφαρμογές, όπως στα κινητά τηλέφωνα και στους φορητούς υπολογιστές, στα αυτοκίνητα, στα φορτηγά, στα πλοία, κτλ. Ακόμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θέρμανση με τη παροχή ενέργειας σε γεννήτριες για οικιακή ή και βιομηχανική χρήση. Επομένως, η ενέργεια του υδρογόνου θα μπορούσε να οριστεί σαν μια επαναστατική μέθοδος παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, αφού βρίσκεται σε αφθονία στο περιβάλλον και κυρίως δεν προκαλεί σοβαρά προβλήματα στην περιβαλλοντική ισορροπία και στην οικολογία. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

16 Γεωθερμική ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια, που, ιδίως, ενδιαφέρει εν προκειμένω, προέρχεται από τη θερμότητα, που παράγεται από πηγές, οι οποίες βρίσκονται βαθιά στο υπέδαφος και έχει σημαντικούς λόγους να θεωρείται σήμερα ως μια από τις πλέον αξιόλογες, καινοτόμες και σπουδαιότερες μορφές ενέργειας, αφού πρόκειται για μια αενάως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η παραγωγή της επιτυγχάνεται με τη γεώτρηση και τη δημιουργία δύο οπών σε κυμαινόμενο βάθος ανάλογα με τον γεωμορφολογία του εδάφους. Το νερό διαποτίζει τα ρήγματα, τα οποία λειτουργούν ως θερμικοί εναλλάκτες θερμαίνοντας το νερό έως και σε 2000 C, για να αναδυθεί στην επιφάνεια ως ατμός, διαμέσου της άλλης οπής. Έτσι, ανάλογα με τη θερμοκρασία των ρευστών που χρησιμοποιεί, η γεωθερμική ενέργεια διακρίνεται σε χαμηλής ενθαλπίας, αν οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από 25 έως 80 C, μέσης ενθαλπίας, αν κυμαίνονται από C και υψηλής ενθαλπίας, αν πρόκειται για υψηλότερες των 150 C. Η κύρια, συνεπώς, εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας υψηλής ενθαλπίας είναι η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια [Καρύτσας, Μενδρινός, 2004]. Η γεωθερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης ενθαλπίας προέρχεται από την αξιοποίηση της θερμικής ενέργειας υπόγειων πετρωμάτων ή ρευστών σε βάθος όχι περισσότερο των 150m και η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη των 25 C. Έχει εφαρμογές στη θέρμανση των θερμοκηπίων, στη τηλεθέρμανση κτιρίων 1, στις ιχθυοκαλλιέργειες, στην ξήρανση αγροτικών προϊόντων, στα θερμά λουτρά κτλ. Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή αφορά στη θέρμανση κτιρίων και στη χρήση ζεστού νερού. Η τεχνολογία της δεν είναι καθόλου σύνθετη, καθώς το γεωθερμικό ρευστό παρέχει θερμότητα στο σύστημα θέρμανσης του καταναλωτή είτε απευθείας είτε μέσω γεωθερμικού εναλλάκτη. Στις εφαρμογές τηλεθέρμανσης η γεωθερμία ανταγωνίζεται με επιτυχία τα ορυκτά καύσιμα. Από την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας, τόσο για ηλεκτροπαραγωγή όσο και για θερμικές εφαρμογές, προκύπτουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη, που αφορούν στην αποφυγή έκλυσης διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και άλλων αέριων ρύπων, που εκλύονται από την καύση των συμβατικών καυσίμων. 1 Με τον όρο τηλεθέρμανση εννοείται η παροχή θέρμανσης με ειδικό δίκτυο μονωμένων αγωγών που μεταφέρουν ζεστό νερό, το οποίο θερμαίνεται σε λέβητες, συνήθως σε θερμοηλεκτρικά εργοστάσια, αρκετά μακριά από το χώρο κατανάλωσης. Είναι δηλαδή η θέρμανση των κτιρίων μιας πόλης ή ενός τμήματος της πόλης από κεντρικό καυστήρα και όχι από ατομικούς. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

17 1.1 Ανάλυση Γεωθερμικής Ενέργειας Γεωθερμία ορίζεται η εκμετάλλευση της θερμότητας των γεωλογικών σχηματισμών και πετρωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των νερών, επιφανειακών ή υπόγειων. Σύμφωνα με τη θερμοκρασία που διέπει το πέτρωμα ή το ρευστό διαχωρίζεται σε αβαθή (ή επιφανειακή) γεωθερμία ή γεωθερμικό πεδίο. Η κατηγορία της γεωθερμίας προσδιορίζει τον τύπο αυτής και καθορίζει τη μορφή, τις εφαρμογές καθώς και τα δικαιώματα αξιοποιήσής της [Ψαρράς, 2012]. Γεωθερμική ενέργεια υπάρχει στο εσωτερικό της γης, σε κυμαινόμενο βάθος και τα γεωθερμικά ρευστά, τα οποία ρέουν προς την επιφάνεια της γης, μπορούν να αποδώσουν πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Χάρη σε αυτή την υπόγεια πηγή ενέργειας, ο άνθρωπος μπορεί να δημιουργήσει μια οικονομικότερη μορφή θέρμανσης και ψύξης της κατοικίας του, απλά και μόνο εκμεταλλευόμενος τις δυνατότητες, που του παρέχει η υπόγεια θερμοκρασία της γης. Για πολλές χώρες του κόσμου η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα και επικερδή μορφή, η οποία συγκεντρώνει το ενδιαφέρον για τη δημιουργία μεγάλων βιομηχανιών με επίκεντρο αυτήν, με σκοπό την εγκατάσταση όλο και περισσότερων γεωθερμικών συστημάτων, με αποτέλεσμα να αποβαίνει σε μια εξίσου ανταγωνιστική, σε οικονομικό επίπεδο, μορφή ενέργειας, που αντλείται από τη φύση. Η γεωθερμική ενέργεια διακρίνεται ως μία ανανεώσιμη, καθαρή και πλήρως αποδεκτή πηγή ενέργειας, η οποία είναι ικανή να καλύψει μεγάλο μέρος των ενεργειακών αναγκών των ανθρώπων, καθώς και να συνεισφέρει στη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, σύμφωνα με τις κατευθύνσεις του Πρωτοκόλλου του Κιότο [Κιότο, 1997] Ορισμός Υψηλής Ενθαλπίας Ανάλογα με τη θερμοκρασία του υπεδάφους ή των παραγόμενων ρευστών διακρίνεται η γεωθερμική ενέργεια σε υψηλής ενθαλπίας, όταν η θερμοκρασία αυτών ξεπερνά τους 150ºC. Τα ρευστά αυτά αποτελούνται στις περισσότερες περιπτώσεις από ένα μίγμα υγρού ατμού και θερμού νερού. Η γεωθερμία υψηλής ενθαλπίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί όμως και να προσφέρει θέρμανση, ψύξη και ζεστό νερό χρήσης, και είναι από τις πιο καθαρές για το περιβάλλον μορφές ενέργειας. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

18 1.1.2 Ορισμός Μέσης Ενθαλπίας Με τον όρο της μέσης ενθαλπίας αναφερόμαστε σε θερμοκρασίες από 80 C έως 150 C που χρησιμοποιούνται για την θέρμανση ή και για την ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων, ενίοτε δε για την παραγωγή ηλεκτρισμού (πχ. με κλειστό κύκλωμα φρέον, που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως), Ορισμός Χαμηλής Ενθαλπίας Με τον όρο χαμηλή ενθαλπία εννοούμε την θερμότητα υπόγειων πετρωμάτων και υδάτων θερμοκρασίας 25-80ºC, που χρησιμοποιούνται κυρίως για θέρμανση κτιρίων, θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες, καθώς και για την παραγωγή γλυκού νερού. Στην Ελλάδα η γεωθερμία αφορά, σε μεγάλο βαθμό, χαμηλής ενθαλπίας συγκεντρώσεις, που χρησιμεύουν, κυρίως, για την καλλιέργεια σε θερμοκήπια, τη θέρμανση κτιρίων και κατοικιών με ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο και εξαιρετικά χαμηλά κόστη, αλλά και για τις υδατοκαλλιέργειες. Στην περίπτωση της θέρμανσης κτιρίων και κατοικιών αξίζει να σημειωθεί, ότι το κόστος εγκατάστασης ενός γεωθερμικού συστήματος μπορεί να είναι μεν αρκετά υψηλό, όμως, μετά την εγκατάσταση του, καταλήγει να εμφανίζεται σχεδόν μηδαμινό, αφού οι δαπάνες αφορούν μόνο στη συντήρησή του και όχι στην λειτουργιά του μέσα στο χρόνο. Υπάρχει και μια τέταρτη κατηγορία, η λεγόμενη περιβαλλοντική ή πολύ χαμηλής ενθαλπίας, με θερμοκρασίες αντίστοιχες των μέσων ετησίων του αέρα περιβάλλοντος, συνήθως μικρότερες των 25 C και σε αυτές τις περιπτώσεις η γεωθερμία χαρακτηρίζεται ως κανονική, ομαλή ή αβαθής, χρησιμοποιείται δε συνήθως για την θέρμανση και την ψύξη κτιρίων και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Εκτός από τη γεωθερμική ενέργεια υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας, υπάρχει και η δυνατότητα αξιοποίησης της λεγόμενης αβαθούς γεωθερμικής ενέργειας με θερμοκρασίες υπογείων πετρωμάτων και ρευστών, που βρίσκονται σε θερμοκρασίες μικρότερες από 25ºC και σε μικρά εξίσου βάθη. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

19 1.2 Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλουν ανάλογα με τις περιοχές και τις απαιτήσεις, που δημιουργούνται σε κάθε περίπτωση. Συγκεκριμένα, στις βόρειες χώρες, όπως στις Βόρειες Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής και στις Βόρειες Ευρωπαϊκές, όπως στην Ισλανδία, στη Σουηδία και στη Νορβηγία. η χρήση της γεωθερμίας για την παραγωγή θερμότητας είναι επιτακτική, ώστε να καταστεί η καθημερινή ζωή των κατοίκων ικανοποιητικά βιώσιμη, μιας και οι πολύ χαμηλές θερμοκρασίες είναι ένα σύνηθες φαινόμενο. Οι κυριότερες άμεσες εφαρμογές της γεωθερμίας, όπου γίνεται αξιοποίηση της θερμότητας των ρευστών, μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες: θέρμανση χώρων, αγροτικές χρήσεις, υδατοκαλλιέργειες, βιομηχανικές χρήσεις, λουτροθεραπεία και αντλίες θερμότητες. Στις περισσότερες γεωθερμικές εφαρμογές απαιτείται η μεταφορά της θερμότητας των γεωθερμικών ρευστών σε ένα ρευστό λειτουργίας (κυρίως γλυκό νερό ή και αέρας) μέσω εναλλακτών θερμότητας και χρησιμοποιείται πλέον η αποκτημένη θερμότητα αυτού του ρευστού λειτουργίας. Πιο αναλυτικά όσον αφορά τη θέρμανση χώρων η γεωθερμική ενέργεια εφαρμόζεται στις παρακάτω περιπτώσεις: Θέρμανση κτιρίων με εναλλάκτες θερμότητας αέρα-νερού ή νερού-νερού Θέρμανση χώρων κολυμβητηρίων και πισίνων Αντιπαγετική προστασία δρόμων, πεζοδρομίων, πλατειών, χώρων στάθμευσης κλπ Τηλεθέρμανση οικισμών Όσον αφορά τώρα τις αγροτικές περιοχές η κύρια χρήση της γεωθερμίας συναντάται στις εξής περιπτώσεις: Θέρμανση θερμοκηπίων (θερμοκρασίες που απαιτούνται: C) Ξήρανση δημητριακών (θερμοκρασίες: C) Ξήρανση λαχανικών, φρούτων και καρπών (θερμοκρασίες: C) Ξήρανση αγροτικών προϊόντων, όπως μηδικής, καπνού, βαμβακιού Θέρμανση εδάφους (θερμοκρασίες: C) Υπεδάφια θέρμανση για πρωίμιση σπαραγγιών Θέρμανση πτηνοτροφικών και κτηνοτροφικών μονάδων και ποιμνιοστασίων Επεξεργασία γάλακτος (θερμοκρασίες: C) Συντήρηση τροφίμων - παραγωγή ψύξης (θερμοκρασίες: C) Καλλιέργεια μανιταριών (θερμοκρασίες: C) Καθαρισμός κτηνοτροφικών και πτηνοτροφικών μονάδων Άρδευση με απορριπτόμενο γεωθερμικό νερό (μόνον όταν είναι πολύ καλής ποιότητας) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

20 Για τις υδατοκαλλιέργειες η κυριότερη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας αφορά την καλλιέργεια και την ανάπτυξη διαφόρων ειδών ψαριών (θερμοκρασίες που απαιτούνται: C) Η γεωθερμία στις βιομηχανικές χρήσεις αποσκοπεί στην: Αφαλάτωση νερού (π.χ. αφαλάτωση θαλασσινού ή υφάλμυρου νερού σε νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές με έντονο πρόβλημα επάρκειας γλυκού νερού) Χώνευση βιολογικής λάσπης και λυμάτων Ξήρανση γης διατόμων Πλύσιμο και λεύκανση μαλλιών Παραγωγή απεσταγμένου νερού Πλύσιμο και ξήρανση μαλλιού Ανάκτηση πετρελαίου Εξόρυξη ουρανίου, επεξεργασία χαλκού, διαχωρισμός χρυσού, ορυχεία Ξήρανση ξυλείας Απόληψη και ανάκτηση διαφόρων αλάτων και στοιχείων Ανάκτηση διοξειδίου του άνθρακα (CO2) Ακόμη και για λόγους αναψυχής και χαλάρωσης θα μπορούσε να αξιοποιηθεί, όπως στη λουτροθεραπεία και συγκεκριμένα σε ιαματικά λουτρά και spa, αλλά και σε πισίνες αναψυχής [Αρβανίτης, 2008]. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

21 Στα παρακάτω γραφήματα παρουσιάζονται οι άμεσες χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας ανά τον κόσμο για το 2010 και στην περίπτωση (α) προβάλλεται το συνολικό ποσοστό εγκατεστημένης ισχύος - γεωθερμικού δυναμικού, στις αντίστοιχες περιπτώσεις χρήσης ανά τον κόσμο, ενώ στην περίπτωση (β) το συνολικό ποσοστό της ενεργειακής χρήσης της γεωθερμίας ανά τον κόσμο αντίστοιχα. Αγροτικές Χρήσεις Θερμοκήπια Άλλες Χρήσεις Βιομηχανικές Χρήσεις Λουτροθεραπευτικές Χρήσεις Θέρμανση Χώρων Αντλίες Θερμότητας Εικόνα 1.1 Περίπτωση (α) παρουσιάζονται τα ποσοστά της εγκατεστημένου γεωθερμικού δυναμικού ανά τον κόσμο, Energies (2010) Παρατηρούμε στην (α) περίπτωση ότι το μεγαλύτερο ποσοστό εγκατεστημένης ισχύος αποδίδεται στις αντλίες θερμότητας με το συντριπτικό ποσοστό της τάξεως του 68% και έπειτα στις λουτροθεραπευτικές χρήσεις. Σημαντική είναι και η χρήση της γεωθερμίας για την θέρμανση χώρων, χωρίς όμως να καταλαμβάνει σημαντικό ποσοστό, γεγονός που υποδηλώνει την περαιτέρω αξιοποίηση της στον τομέα της θέρμανσης ανά τον κόσμο. Στην περίπτωση (β) το μεγαλύτερο ποσοστό της ενεργειακής χρήσης εξακολουθούν να καταλαμβάνουν οι αντλίες θερμότητας, μειωμένο όμως συγκριτικά με το ποσοστό της εγκατεστημένης ισχύος, ενώ οι λουτροθεραπευτικές χρήσεις παρουσιάζουν μεγαλύτερη αξιοποίηση, όπως και η θέρμανση χώρων. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

22 Αγροτικές Χρήσεις Θερμοκήπια Άλλες Χρήσεις Βιομηχανικές Χρήσεις Λουτροθεραπευτικές Χρήσεις Θέρμανση Χώρων Αντλίες Θερμότητας Εικόνα 1.2 Περίπτωση (β) παρουσιάζονται τα ποσοστά της συνολικής ενεργειακής χρήσης ανά τον κόσμο, Energies (2010) Εφαρμογές στο Εξωτερικό Η γεωθερμική ενέργεια στο εξωτερικό παρουσιάζει σημαντική άνθιση ως μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα ανανεώσιμη μορφή ενέργειας. Η χρήση των παραδοσιακών μεθόδων παραγωγής ενέργειας είχε πάψει να αποτελεί πανάκεια, μετά την αλλαγή των οικονομικών και κοινωνικών δεδομένων, αφού έπρεπε να αναζητηθούν νέοι τρόποι παροχής ενέργειας για μεγάλα και οικονομικά ασθενέστερα τμήματα του πληθυσμού. Οι ιθύνοντες οδηγήθηκαν έτσι σε καινούριες οικονομοτεχνικές έρευνες, που κατέληξαν στο συμπέρασμα, ότι η γεωθερμία θα αποτελούσε ιδανικότερο τρόπο επίλυσης των παραπάνω ζητημάτων, αλλά θα προσέφερε και πιο σύγχρονες ανέσεις, όπως στην περίπτωση της Γαλλίας και της Ισλανδίας με την τηλεθέρμανση να κατέχει σημαντικό ρόλο ως προς τον τρόπο θέρμανσης. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

23 Η Ισλανδία είναι η χώρα της Ευρώπης με το μεγαλύτερο ποσοστό χρήσης γεωθερμικών συστημάτων και γενικότερα είναι η πρώτη στην αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας, όχι μόνο στην παραγωγή ηλεκτρισμού, αλλά και στη θέρμανση κτιρίων και οδικών δικτύων, για την αποφυγή των συνεπειών του παγετού. Ως εναλλακτική μορφή θερμότητας, η γεωθερμία συναντά ιδιαίτερη ανταπόκριση στην Ουγγαρία και στη Ρωσία, όπου η χρήση της συνδέεται, κατά κύριο λόγο, με την κατασκευή θερμοκηπίων, ενώ στη Νέα Ζηλανδία και στις Η.Π.Α. το μεγαλύτερο ποσοστό της χρήσης και αξιοποίησής της σχετίζεται με τον τομέα της βιομηχανίας, δηλαδή την παραγωγή ηλεκτρισμού και την κατασκευή αυτόνομων ενεργειακά εργοστασίων και βιοτεχνιών. Οι πέντε χώρες με το μεγαλύτερο ποσοστό γεωθερμικών εγκαταστάσεων στον κόσμο είναι οι Η.Π.Α. η Κίνα, η Σουηδία, η Γερμανία και η Ιαπωνία και αποτελούν το 63% του παγκόσμιου γεωθερμικού δυναμικού, ενώ, όσον αφορά το μεγαλύτερο ποσοστό ετήσιας ενέργειας που καταναλώνεται, οι πέντε χώρες που το αντιπροσωπεύουν, είναι η Κίνα, η Σουηδία, η Ιαπωνία, οι Η.Π.Α. και η Τουρκία και καταλαμβάνουν το 55% του παγκόσμιου ενεργειακού δυναμικού Εφαρμογές στην Ελλάδα Στην Ελλάδα η χρήση της γεωθερμίας δεν είναι τόσο διαδεδομένη συγκριτικά με τον Ευρωπαϊκό ή και το παγκόσμιο χώρο, μιας και το κλίμα δεν παρουσιάζει ακραίες διακυμάνσεις. Παρόλα αυτά τα τελευταία χρόνια παρατηρείται δειλά αυξανόμενο ενδιαφέρον για την εφαρμογή της, λόγω των κατάλληλων γεωλογικών συνθηκών, γιατί πράγματι ο ελλαδικός χώρος προσφέρει σημαντικές γεωθερμικές πηγές και των τριών κατηγοριών (υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας) σε οικονομικά βάθη από 100m -1500m. Αξίζει να σημειωθεί δε, πως σε μερικές περιπτώσεις, τα βάθη των γεωθερμικών ταμιευτήρων είναι πολύ μικρά, καθιστώντας ιδιαίτερα ελκυστική, από οικονομική άποψη, τη γεωθερμική εκμετάλλευση. Η ποσοστιαία κατανομή των εφαρμογών της γεωθερμικής ενέργειας στην Ελλάδα σύμφωνα, με τις μετρήσεις, που έχουν υπολογιστεί από το ΚΑΠΕ (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) απεικονίζεται ως εξής: Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

24 Άλλες Χρήσεις Θέρμανση Χώρων Λουτροθεραπευτικές Χρήσεις Ιχυοκαλλιέργειες Θερμοκήπια Αντλίες Θερμότητας 5% 3% 12% 2% 48% 30% Εικόνα 1.3 Ποσοστιαία κατανομή των εφαρμογών της γεωθερμίας στον ελλαδικό χώρο σύμφωνα με τις μετρήσεις του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ΚΑΠΕ (2005) Παρατηρούμε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας αφορά στις λουτροθεραπευτικές χρήσεις και συναγωνίζεται σημαντικά το ποσοστό χρήσης σε θερμοκήπια. Αυτό σημαίνει ότι, η γεωθερμική ενέργεια αποκτά όλο και περισσότερο έδαφος ως προς την εκμετάλλευσή της σε αγροτικές και λουτροθεραπευτικές χρήσεις, κάτι το οποίο είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικό μιας και αξιοποιούνται όλο και περισσότερο από τους Έλληνες οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας, που βρίσκονται σε αφθονία στην ελληνική γη. Παρά ταύτα, η χρήση της για θέρμανση χώρων δεν έχει αναγνωριστεί ακόμα, γεγονός, που θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν και να μελετηθεί, ώστε να πραγματοποιηθεί περαιτέρω ανάπτυξη και εκμετάλλευση αυτής Γεωθερμία Χαμηλής Ενθαλπίας στην Ελλάδα-Περίπτωση Χρήσης Η χαμηλής ενθαλπίας γεωθερμία δεν αποτελεί ενδεικτικό είδος χρήσης στον ελλαδικό χώρο, αφού η συνηθέστερη μορφή γεωθερμίας, που παρατηρείται είναι η υψηλής, μιας και τα γεωθερμικά ρευστά που επικρατούν είναι καταλληλότερα για την ηλεκτροπαραγωγή. Υπάρχει όμως, μεταξύ πολλών, μια χαρακτηριστική περίπτωση χρήσης υψηλής ενθαλπίας και είναι αυτή της Νισύρου. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

25 Η Νίσυρος, νησί του Νότιου Αιγαίου και των Δωδεκανήσων, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς τη γεωμορφολογία του, διότι αποτελεί μέρος του ηφαιστειακού τόξου της νότιας Ελλάδας, βρίσκεται δηλαδή στην άκρη του τόξου του Αιγαίου, μαζί με τη Καλδέρα της Κω και τη νήσο Γυαλί. Η Νίσυρος διαθέτει ένα από τα πιο σημαντικά βεβαιωμένα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας στην Ελλάδα, με θερμοκρασία ρευστού μεγαλύτερη των 350 C και υψηλή πίεση 18 bar 2. Αποτελεί μεν μαζί με τη Μήλο κεντρικό παράδειγμα, αλλά όχι και το μοναδικό, αφού το ηφαιστειακό τόξο του Ν. Αιγαίου περιλαμβάνει πάρα πολλά πεδία υψηλής ενθαλπίας. Πρέπει, επομένως, το γεγονός αυτό να μας ενθαρρύνει, ώστε να πάψει η καταστροφική για το περιβάλλον αποκλειστική χρήση των μέχρι τώρα μορφών παραγωγής ενέργειας (πετρέλαιο και άνθρακας) και η Πολιτεία να επικεντρωθεί επιτακτικά στην αξιοποίηση των αποθεμάτων των γεωθερμικών ρευστών, αφού έχει κατακτηθεί πλέον και η τεχνογνωσία και η τεχνολογία, που είναι απαραίτητες για την εκμετάλλευσή της και δε δικαιολογείται η περαιτέρω επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Ο γεωλογικός χάρτης της Ελλάδας μας δείχνει ακόμη ότι, στο ίδιο ηφαιστειακό τόξο, υπάρχουν αποθέματα ρευστών χαμηλής ενθαλπίας, που παραμένουν ανεκμετάλλευτα, μολονότι θα μπορούσαν να αποδώσουν σε μέγιστο βαθμό στην ενίσχυση του τουρισμού (λουτροτουρισμός, θέρμανση πισίνων κ.α,) και το πιο ενδιαφέρον- στην εξάλειψη των προβλημάτων ύδρευσης, με την δημιουργία μονάδων αφαλάτωσης του θαλασσίου ύδατος. Σε περιοχές της Κεντρικής και Ανατολικής Μακεδονίας, εν μέρει στη Θράκη, στη Θεσσαλία και στη Δυτική Πελοπόννησο έχουν γίνει σημαντικές έρευνες σχετικά με τη γεωθερμία χαμηλής ενθαλπίας, σε συγκεκριμένες δε περιοχές έχει ήδη αρχίσει η εκμετάλλευσή της, κυρίως για τη θέρμανση θερμοκηπίων, αλλά και για τις αγροτικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες. 2. Γεωθερμικοί Πόροι Οι γεωθερμικοί πόροι προέρχονται από εκτάσεις γης, στο υπέδαφος των οποίων υπάρχουν γεωθερμικά ύδατα και ατμοί και είναι κατάλληλες για την εφαρμογή γεωθερμικών συστημάτων, με γεωτρήσεις, μέσω των οποίων γίνεται η τοποθέτηση των γεωθερμικών εναλλακτών και με τη δημιουργία διόδων πρόσβασης σε αυτά τα συστήματα. Τα συστήματα, στα οποία κυριαρχεί το ρευστό σε μορφή νερού, ονομάζονται liquid dominated systems και μπορεί να εμπεριέχουν αέρια σε μορφή φυσαλίδων, ανάλογα δε με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στο υπέδαφος, μπορούν να παράγουν θερμό νερό ή μίγμα νερού και ατμού. 2 bar είναι μονάδα μέτρησης πίεσης που ισοδυναμεί με 105 Pascal Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

26 Αυτά τα συστήματα είναι και τα πιο διαδεδομένα σε παγκόσμιο επίπεδο. Όταν κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός, το υγρό νερό και ο ατμός συνήθως συνυπάρχουν στον ταμιευτήρα, με τον ατμό να λειτουργεί σαν το μέσο που ρυθμίζει την πίεση εξόδου στο γεωθερμικό σύστημα. Τέτοιου τύπου γεωθερμικά συστήματα, βρίσκονται κυρίως στην Ιταλία και στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α., είναι ιδιαίτερα σπάνια και αποτελούν συστήματα υψηλής ενθαλπίας, με αποτέλεσμα να αξιοποιούνται κατά βάση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και όχι για την θέρμανση κλειστών χώρων. 2.1 Μέθοδοι Γεωτρήσεων Για την εγκατάσταση ενός γεωθερμικού συστήματος, η εισαγωγή των γεωθερμικών εναλλακτών στο υπέδαφος γίνεται με κυμαινόμενης διαμέτρου οπές είτε σε κατακόρυφη είτε σε οριζόντια διάταξη, ανάλογα με το είδος του γεωθερμικού συστήματος που εγκαθίσταται. Ανάλογα με το βάθος που απαιτείται σε κάθε περίπτωση, πραγματοποιούνται γεωτρήσεις με εξειδικευμένα μηχανήματα τελευταίας τεχνολογίας (γεωτρύπανα). Οι μέθοδοι γεωτρήσεων ποικίλουν και εξαρτώνται από το βάθος και από τον τρόπο, που αποσπάται το πέτρωμα από το υπέδαφος, από τον τρόπο λήψης του δείγματος και από το μέσο που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των προϊόντων της διάτρησης. Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι είναι η κρουστική (κρούση κοπτικού εργαλείου επί του πετρώματος), η περιστροφική (με κινητήρα, που περιστρέφει την κεφαλή του γεωτρύπανου), με θετική κυκλοφορία (διοχέτευση λάσπης υπό πίεση με αντλητικό συγκρότημα πηλαντλία- για την απομάκρυνση τριμμάτων από τον πυθμένα της γεώτρησης) και με ανάστροφη κυκλοφορία (παράσυρση των τριμμάτων με αναρρόφηση με τη βοήθεια αεροσυμπιεστή). 2.2 Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση και ψύξη κτιρίων, η χρήση τους είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη σε ολόκληρη την Ευρώπη, μιας και ο ρόλος τους είναι πολύ σημαντικός στην μείωση των εκπομπών άνθρακα και κατά συνέπεια στην προστασία του περιβάλλοντος. Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας τροφοδοτούνται με ηλεκτρισμό και εκμεταλλεύονται τις σταθερές θερμοκρασίες του εδάφους, με σκοπό την παραγωγή θέρμανσης, ψύξης και ζεστού νερού χρήσης. Σημαντικό θεωρείται το ότι μια γεωθερμική αντλία θερμότητας δεν παράγει θερμότητα, αλλά μεταφέρει, δηλαδή απορροφά τη θερμότητα μιας περιοχής και τη μεταφέρει σε μια άλλη. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

27 Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η αντλία το χειμώνα να μεταφέρει τη θερμότητα από το έδαφος, που είναι υψηλότερη από αυτή του εξωτερικού περιβάλλοντος, στον εσωτερικό θερμαινόμενο χώρο, αντίστροφα δε το καλοκαίρι να απορροφά αυτήν από το εσωτερικό του κλειστού χώρου και να την μεταφέρει στο έδαφος, όπου η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από αυτή του εξωτερικού περιβάλλοντος. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η ιδανικότερη θέρμανση το χειμώνα και ψύξη το καλοκαίρι στον εσωτερικό χώρο ενός κτιρίου. Επιπλέον, σημαντικός παράγοντας για την επίτευξη της ενεργειακής μεταφοράς είναι το υδάτινο διάλυμα, που ρέει στο γεωθερμικό σύστημα, το οποίο είτε αντλείται από γεωτρήσεις είτε ανακυκλοφορεί στο γεωσυλλέκτη, όταν δεν υπάρχουν πηγές γύρω από αυτό. Η χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, εκτός από το ότι συμβάλλει στην προστασία του περιβάλλοντος και του οικοσυστήματος, αποβλέπει και σε μια πιο ουσιαστική εξοικονόμηση δαπάνης σε μηνιαία βάση, καθόσον το κόστος είναι ελάχιστο συγκριτικά με την ωφέλεια που προκύπτει, μιας και η εκμετάλλευση της γης για θέρμανση και ψύξη δεν απαιτεί περαιτέρω έξοδα Τρόπος Λειτουργίας Η γεωθερμική αντλία θερμότητας λειτουργεί όπως μια μηχανή εσωτερικής καύσης. Μετατρέπει δηλαδή, με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας τη θερμική ενέργεια από μια χαμηλή θερμοκρασία σε θερμική ενέργεια υψηλότερης θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιείται μια κυκλική διαδικασία, κατά την οποία η κατάσταση αλλάζει συνεχώς, όπως συμβαίνει σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης, όπου έχουμε την ατμοποίηση, τη συμπίεση, τη συμπύκνωση και την εκτόνωση. Η γεωθερμική αντλία θερμότητας λαμβάνει τη θερμότητα, που είναι αποθηκευμένη στο έδαφος ή στα επιφανειακά ή υπόγεια ύδατα και τη μεταφέρει, με τη βοήθεια της ηλεκτρικής ενέργειας, σε ένα κύκλωμα θέρμανσης του χώρου. Το αντίστροφο συμβαίνει στην περίπτωση της ψύξης, οπότε η αντλία λαμβάνει τη θερμική ενέργεια, που υπάρχει στον χώρο και τη μεταφέρει στο έδαφος ή στον επιφανειακό ή στον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα, ανάλογα με τη περίπτωση. Αναλυτικότερα, η αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας είναι η ψύξη μέσω συμπίεσης ατμού (όπως στα κλιματιστικά), αρχικά, το ψυκτικό υγρό εισέρχεται στον συμπιεστή ως κορεσμένος ατμός και στην συνέχεια, συμπιέζεται σε σταθερή εντροπία, εξέρχεται από τον συμπιεστή ως υπέρθερμος ατμός, μετά αποδίδει την επιπλέον θερμότητα (ψύχεται από τα τοιχώματα) και συμπυκνώνεται σε κορεσμένο υγρό, σε σταθερή πίεση. Μετά περνάει από την βαλβίδα εκτόνωσης και μειώνεται απότομα η πίεση, οπότε πέφτει η θερμοκρασία μέσω αδιαβατικής στιγμιαίας εξάτμισης. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

28 Τέλος, το μερικώς ατμοποιημένο υγρό περνάει από τον ατμοποιητή όπου ολοκληρώνεται η ατμοποίηση από τον θερμό αέρα (π.χ.του δωματίου), σε σταθερή πίεση. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (2.1) η γεωθερμική αντλία θερμότητας λειτουργεί σε κυκλική διαδικασία. Οι κόκκινοι σωλήνες περιέχουν το θερμό νερό, που προέρχεται από το έδαφος και εισάγεται σε ένα μηχανισμό (circulating pump), όπου συμπιέζεται και διανέμεται στην εγκατάσταση, επεξεργάζεται μέσα σε αυτήν και στη συνέχεια επιστρέφει στο έδαφος μέσω των μπλέ σωληνώσεων, προκειμένου να ψυχθεί και κατόπιν να επανατροφοδοτηθεί. Όλο αυτό το σύστημα, να σημειωθεί ότι λειτουργεί με την τροφοδότηση ηλεκτρικού ρεύματος. Εικόνα 2.1 Ενδεικτική λειτουργία μιας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας Κατηγορίες Αντλιών Θερμότητας Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα είδη αντλιών θερμότητας στην παγκόσμια αγορά. Οι τρεις ευρύτερα διαδεδομένες είναι οι αντλίες θερμότητας αέρα - αέρα, αέρα - νερού (ASHP 3) και νερού - αέρα (GSHP 4). Στην περίπτωση αντλίας αέρα - αέρα και αέρα - νερού η πηγή θερμότητας είναι ο εξωτερικός αέρας, που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα, ενώ στην περίπτωση νερού αέρα, η πηγή θερμότητας προέρχεται από το ''έδαφος'' που είναι το νερό, γι αυτό και αποκαλούνται εν συντομία GSHP. 3 ASHP - air source heat pump: αντλία θερμότητας όπου θερμότητα ανταλλάσσεται μέσω του αέρα 4 GSHP - ground source heat pump: αντλία θερμότητας όπου θερμότητα ανταλλάσσεται με το έδαφος Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

29 Οι αντλίες θερμότητας αέρα -αέρα χρησιμοποιούνται σε περιοχές, όπου ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες διακυμάνσεις και εφαρμόζονται για τον κλιματισμό του χώρου, αλλά και για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Οι αντλίες θερμότητας αέρα - νερού χρησιμοποιούν τον αέρα σαν πηγή ενέργειας και το νερό σαν μέσο διανομής, το οποίο τροφοδοτεί στη συνέχεια τα σώματα στο εσωτερικό της κατοικίας, προκείμενου να παραχθεί η απαιτούμενη θέρμανση και ψύξη. Γενικά, οι αντλίες αέρα - νερού εγκαθίστανται σε περιοχές, όπου οι απαιτήσεις θέρμανσης είναι χαμηλές και οι κλιματολογικές συνθήκες δεν είναι ακραίες. Οι αντλίες θερμότητας νερού - αέρα είναι αρκετά διαδεδομένες στις ΗΠΑ, πηγή ενέργειας είναι το νερό που προέρχεται από το έδαφος και ο τρόπος διανομής είναι ο αέρας. Χρησιμοποιούνται σε μεγάλες εγκαταστάσεις για να μεταφέρουν τη θερμότητα από ένα σημείο σε ένα άλλο. Οι αντλίες που χρησιμοποιούν ως πηγή θερμότητας το έδαφος, αλλά και τον αέρα έχουν αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν. Αυτά παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα [Fawcett, 2011]. GSHP Μπορούν να αποδώσουν μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης (COP) σε σχέση με τα ASHP λόγω του ότι η πηγή θερμότητας είναι βέλτιστη εφόσον η θερμοκρασία του εδάφους είναι γύρω στους 10ºC και είναι σταθερή. (Center of Alternative Technology, 2010) Απαιτείται πρόσβαση σε έδαφος προκειμένου να πραγματοποιηθούν οι προβλεπόμενες γεωτρήσεις όπως και μια κατάλληλη γεωμορφολογία εδάφους. Έχουν υψηλό κόστος εγκατάστασης ASHP Έχουν χαμηλότερο συντελεστή απόδοσης (COP) καθώς οι αντλίες καλούνται να μεταφέρουν την περισσότερη ενέργεια στις χαμηλότερες θερμοκρασίες του χρόνου. Το κόστος είναι υψηλότερο. Είναι κάταλληλο για το μεγαλύτερο ποσοστό κατοικιών μιας και δεν απαιτείται συγκεκριμένο έδαφος για την εγκατάστασή τους. Έχουν χαμηλό κόστος εγκατάστασης. Πίνακας 2.1: Σύγκριση μεταξύ των GSHP και ASHP, Fawcett (2011) Οι αντλίες θερμότητας διαφέρουν σημαντικά από τα άλλα είδη θέρμανσης, διότι είναι πιο πολύπλοκα σε σχέση με τα παραδοσιακά είδη, όπως το πετρέλαιο θέρμανσης και το φυσικό αέριο. Χρησιμοποιούν υψηλής τεχνολογίας και ποιότητας μηχανήματα για την εγκατάστασή τους και τη λειτουργία τους, γεγονός που μπορεί μεν να απαιτεί μεγαλύτερο κόστος σε σχέση με τα συμβατικά, αλλά από την άλλη αποτελούν οικονομικότερη λύση σε μακροπρόθεσμη βάση, καινοτομία στον χώρο της θέρμανσης και η χρήση τους στο μέλλον προβλέπεται να επεκταθεί ακόμα και στη χώρα μας. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

30 2.2.3 Παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση τους Η απόδοση της αντλίας θερμότητας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, με την οποία εισέρχεται το νερό στην αντλία και με δεδομένο, ταυτόχρονα, ότι η ροή του αέρα είναι σταθερή. Η θερμοκρασία εισόδου του νερού στο σύστημα εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους, από το οποίο το αντλούμε, από το κλίμα που επικρατεί στην περιοχή, καθώς τούτο ποικίλει από τους πιο κρύους μήνες του έτους μέχρι τους πιο θερμούς, αλλά και από το μέγεθος του γεωσυλλέκτη. Η απόδοση της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας εκφράζεται με τον παράγοντα COP 5 (Coefficient Of Performance) και παρουσιάζει το ποσοστό της προσδιδόμενης ενέργειας σε σχέση με την ισχύ που απαιτείται για την λειτουργία της. Για παράδειγμα, αν ο COP έχει την τιμή 3, σημαίνει ότι η αξιοποιήσιμη θερμότητα του νερού κατά την έξοδο είναι 3 φορές μεγαλύτερη από την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια κατά την είσοδο. Ο COP είναι μια στιγμιαία τιμή, που εξαρτάται εξίσου από τη γεωμετρία της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας και του ψυκτικού ρευστού, που ρέει μέσα σε αυτήν. Για μια συγκεκριμένη αντλία θερμότητας, ο COP διαμορφώνεται ανάλογα με την θερμοκρασία εισόδου και εξόδου. Δηλαδή, όσο πιο μικρή είναι η διαφορά της θερμοκρασίας που πρέπει να επιτευχθεί για τη θέρμανση ή την ψύξη του χώρου, τόσο πιο οικονομικά και αποδοτικά λειτουργεί η αντλία θερμότητας. Ο κύκλος της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας σχετίζεται με τον κύκλο Carnot για μια μηχανή εσωτερικής καύσης, με αποτέλεσμα ο COP να μπορεί επίσης να υπολογιστεί και από τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της πηγής (εξάτμιση) και του αποταμιευτή (συμπύκνωση). Συνοψίζοντας, ο COP εξαρτάται από τη θερμοκρασία εισόδου του νερού, την ποσότητα ροής του νερού, την ποσότητα του νερού ή του αέρα, ανάλογα με την περίπτωση στο δίκτυο θέρμανσης, αλλά και από τις θερμοκρασίες εισόδου στη γεωθερμική αντλία θερμότητας του συστήματος διανομής της θέρμανσης. 5 Ο βαθμός απόδοσης (COP) μιας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας ορίζεται ως η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που παράγει η αντλία σε σχέση με την ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

31 3. Είδη Γεωθερμικών Συστημάτων Τα γεωθερμικά συστήματα ποικίλουν ανάλογα με τις περιπτώσεις χρήσης τους. Συγκεκριμένα διακρίνονται ανάλογα με το σκοπό εγκατάστασής τους. Έτσι, στην περίπτωση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα, ενώ στην περίπτωση θέρμανσης και ψύξης χαμηλής ενθαλπίας με αβαθή γεωθερμία, κατασκευάζονται επί το πλείστον κλειστά γεωθερμικά συστήματα. Τα κλειστά γεωθερμικά συστήματα διαφέρουν στον τρόπο εγκατάστασής τους και στη διαμόρφωση τους, σύμφωνα με τις επικρατούσες σε κάθε περίπτωση γεωμορφολογικές συνθήκες. 3.1 Ανοιχτά Γεωθερμικά Συστήματα Τα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα εμφανίστηκαν από τη στιγμή που ο άνθρωπος άρχισε να εκμεταλλεύεται τα υπόγεια θερμικά ύδατα για την θέρμανση των κατοικιών του, αλλά και για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η εγκατάσταση αυτών έχει εξελιχθεί σε μεγάλο βαθμό μέσα στην πάροδο του χρόνου και με την εξέλιξη της τεχνολογίας των γεωτρήσεων, η εκμετάλλευση του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα πραγματοποιείται με μεγαλύτερη ευκολία. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο αριθμός των εγκατεστημένων ανοιχτών γεωθερμικών συστημάτων να έχει αυξηθεί σημαντικά. Οι γεωθερμικοί εναλλάκτες ανοιχτού κυκλώματος χρησιμοποιούν υπόγεια ύδατα μέσω των γεωτρήσεων ή επιφανειακά ύδατα, που προέρχονται από λίμνες, πηγάδια, ποτάμια ή και από τη θάλασσα. Αντλούν νερό από υπόγειο ταμιευτήρα με χρήση γεώτρησης και ενδιάμεσου εναλλάκτη, που παρεμβάλλεται μεταξύ της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας και του ανοικτού κυκλώματος, προσδίδουν ή απορροφούν ενέργεια στο σύστημα πριν το νερό επιστρέψει στον ταμιευτήρα από άλλη γεώτρηση. Ένα ανοιχτό γεωθερμικό σύστημα απαιτεί επαρκή διαπερατότητα για να παράγει την απαραίτητη ποσότητα νερού και καλή χημεία του υδροφόρου ορίζοντα, δηλαδή χαμηλή συγκέντρωση σιδήρου και υδρόθειου. Η σημαντικότερη όμως προϋπόθεση, για τη σωστή λειτουργία ενός γεωθερμικού συστήματος, είναι η σταθερότητα στην ποσότητα διαθέσιμου υπόγειου νερού καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου. Τα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα καταλαμβάνουν μικρό περιβάλλοντα χώρο και θεωρούνται μια σχετικά απλή κατασκευαστική λύση. Η επιλογή ενός τέτοιου συστήματος προκρίνεται ως συμφέρουσα σε χώρους μεγαλύτερους των 100m, όταν η υδροφορία είναι συνεχής και πλούσια και δεν απαιτείται ιδιαίτερα μεγάλο βάθος ανόρυξης (μέχρι 60-70m). Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

32 Τα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα παρουσιάζουν τη δυνατότητα παραγωγής υψηλού ποσοστού ενέργειας με μικρό κόστος και είναι κατάλληλα για μεγάλες εγκαταστάσεις, διότι παρέχουν τη δυνατότητα κάλυψης υψηλών ενεργειακών φορτίων με χαμηλό κόστος. 3.2 Κλειστά Γεωθερμικά Συστήματα Ένα κλειστό γεωθερμικό σύστημα απαρτίζεται από το κύκλωμα του γεωσυλλέκτη, από μια ή περισσότερες γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, από το δίκτυο διανομής θέρμανσης - ψύξης εντός του χώρου, καθώς και από τα λοιπά απαραίτητα στοιχεία για τη λειτουργία της εγκατάστασης. Η φιλοσοφία λειτουργίας του είναι παρόμοια με αυτή των ανοιχτών γεωθερμικών συστημάτων, με βασική όμως διαφορά ότι δεν αντλούν νερό από κάποιο υδροφόρο ορίζοντα, αλλά το νερό εγχύεται στο εσωτερικό των σωληνώσεων και ανακυκλοφορεί μέσα σε αυτές, μαζί με κάποιο αντιψυκτικό υγρό. Λαμβάνει τη θερμότητα από το υπέδαφος, όπου έχουν τοποθετηθεί οι γεωεναλλάκτες, και μέσω του δικτύου διανομής, μεταφέρεται στο εσωτερικό του κτιρίου. Ένα κλειστό γεωθερμικό σύστημα διακρίνεται σε κάθετο σύστημα γεωεναλλακτών σε οριζόντιο και σε σπειροειδές. Αυτή η διάκριση γίνεται με βάση τον τρόπο εγκατάστασης των σωληνώσεων στο υπέδαφος και τη γεωμετρία αυτών. Σε μία οριζόντια εγκατάσταση, οι βρόγχοι του εναλλάκτη θερμότητας μπορεί να είναι συνδεδεμένοι είτε σε σειρά είτε σε παράλληλη διάταξη. Αυτοί οι τύποι χρησιμοποιούνται περισσότερο στη Δυτική και στην Κεντρική Ευρώπη Γεωθερμικό Σύστημα Κάθετων Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Ένα γεωθερμικό σύστημα κάθετων γεωεναλλακτών αποτελεί τη βέλτιστη λύση για μικρές εδαφικές εκτάσεις. Αξιοποιεί τη διαθέσιμη θερμότητα, που είναι αποθηκευμένη στο εσωτερικό του εδάφους, απευθύνεται σε βάθη από 100 έως 130m και παρουσιάζει σταθερή θερμοκρασία της τάξεως 12 C έως 17 C. Με τη βοήθεια γεωτρυπάνου, ανοίγεται γεώτρηση με οπή διαμέτρου από 10 έως 15cm εντός της οποίας εισάγεται ένας γεωθερμικός εναλλάκτης. Στη συνέχεια, θέτοντας σε κυκλοφορία το ρευστό θερμαντικό μέσο στο βάθος της γεώτρησης, απορροφάται θερμότητα, η οποία ανταλλάσσεται στην επιφάνεια, στο εσωτερικό μίας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας. Η συγκεκριμένη εγκατάσταση δεν καλύπτει μεγάλο χώρο και εφαρμόζεται σε πολύ μικρές επιφάνειες οικόπεδα. Σε περιπτώσεις ανέγερσης νέου κτιρίου, οι γεωτρήσεις δύναται να διανοιχθούν κάτω από την θεμελίωση και προ αυτής. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

33 Εικόνα 3.1 Ενδεικτικό γεωθερμικό σύστημα κάθετων γεωεναλλακτών σε απλή κατοικία Γεωθερμικό Σύστημα Οριζόντιων Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Ένα γεωθερμικό σύστημα οριζόντιων γεωεναλλακτών αξιοποιεί την επιφανειακή θερμότητα του εδάφους. Αυτή η τεχνολογία εκμεταλλεύεται τη θερμότητα του εδάφους, που είναι εκτεθειμένη στην ηλιακή ακτινοβολία, η οποία συγκεντρώνεται στα επιφανειακά στρώματά του και απευθύνεται σε βάθη από 0m έως 15m. Οι οριζόντιοι γεωεναλλάκτες τοποθετούνται οριζοντίως σε σκάμμα βάθους 1m έως 2m. Εντός των εναλλακτών κυκλοφορεί, σε κλειστό κύκλωμα, ένα μίγμα νερού και αντιψυκτικού υγρού, το οποίο απορροφά τη θερμότητα του εδάφους και την αποδίδει στη γεωθερμική αντλία θερμότητας. Η χρήση και τοποθέτηση οριζόντιων εναλλακτών προϋποθέτει μεγάλες εκτάσεις, που, κατά περίπτωση, αντιστοιχούν στο διπλάσιο και τριπλάσιο της επιφανείας του προς κλιματισμό εσωτερικού χώρου. Μια παραλλαγή αυτής της επιλογής προβλέπει τη χρήση οριζοντίων εναλλακτών από χαλκό, ο οποίος παρουσιάζει μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα από αυτή του πλαστικού σωλήνα, εντός των οποίων κυκλοφορεί απευθείας το ψυκτικό υγρό της αντλίας θερμότητας, με αποτέλεσμα την απλούστευση των μηχανολογικών εγκαταστάσεων. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

34 Εικόνα 3.2 Ενδεικτικό γεωθερμικό σύστημα οριζόντιων γεωεναλλακτών σε απλή κατοικία Γεωθερμικό Σύστημα Σπειροειδών Γεωεναλλακτών κλειστού κυκλώματος Μια παραλλαγή της διάταξης οριζοντίου κυκλώματος με πολλαπλούς σωλήνες είναι το σπειροειδές κύκλωμα. Το κύκλωμα αυτό, αποτελείται από σωλήνες σπειροειδείς σε ένα κυκλικό κύκλωμα, μέσα σε τάφρους. Μια άλλη παραλλαγή του συστήματος με σπειροειδές κύκλωμα περιλαμβάνει την τοποθέτηση του κυκλώματος όρθιο σε στενές κάθετες τάφρους. Η διάταξη του σπειροειδούς κυκλώματος απαιτεί γενικά περισσότερους σωλήνες, τυπικά m ανά σύστημα τόνoυ ψύξης, αλλά λιγότερες συνολικά τάφρους από τα συστήματα οριζόντιου κυκλώματος με πολλαπλούς σωλήνες. Για το σχεδιασμό των οριζόντιων σπειροειδών κυκλωμάτων, οι τάφροι έχουν πλάτος γενικά 0,9 έως 1,8 m, πολλαπλές τάφροι απέχουν τυπικά περίπου 3,7 m. Για το σχεδιασμό των κάθετων σπειροειδών κυκλωμάτων, οι τάφροι έχουν πλάτος γενικά 15,2 cm. 3.3 Άλλα Γεωθερμικά Συστήματα Υπάρχουν διάφορα άλλα αβαθή συστήματα, τα οποία δε μπορούν να χαρακτηριστούν ούτε σαν ανοιχτά αλλά ούτε και σαν κλειστά. Ενδεικτικά αναφέρονται τα συστήματα, που χρησιμοποιούν μία γεώτρηση σταθερής στήλης νερού και αυτά με αντλίες θερμότητας, που χρησιμοποιούν το νερό μεταλλείων. Σε μία γεώτρηση σταθερής στήλης νερού (standing column well), το νερό αντλείται από το κατώτατο σημείο της γεώτρησης, και στη συνέχεια, εγκαταλείποντας την αντλία θερμότητας, διηθείται μέσω του αμμοχάλικου στο δακτύλιο της γεώτρησης. Το σύστημα αυτό χρειάζεται συγκεκριμένο βάθος για να εξασφαλίσει αρκετή ενέργεια, χωρίς να παγώσει το νερό, και έτσι οι περισσότερες εγκαταστάσεις έχουν αρκετά βαθιές γεωτρήσεις. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

35 Παραδείγματα αυτού του συστήματος είναι γνωστά από την Ευρώπη (Ελβετία και Γερμανία) και από τις ΗΠΑ. Εξαιτίας του μεγάλου κόστους των γεωτρήσεων, αυτή η τεχνολογία δεν ενδείκνυται για μικρές εγκαταστάσεις. 4. Ανάλυση των σωληνώσεων ανά κατηγορία γεωθερμικών συστημάτων 4.1 Ανοιχτού Κυκλώματος Γεωθερμικά Συστήματα Στα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα αντλούμε νερό, από το οποίο λαμβάνουμε ή προσδίδουμε θερμότητα και το επιστρέφουμε εκ νέου στον υδροφόρο ορίζοντα, από τον οποίο προήλθε μέσω της γεώτρησης, στοχεύοντας έτσι στην εξισορρόπηση της θερμοκρασίας του. Εικόνα 4.1 Ενδεικτική εικόνα ανοιχτού γεωθερμικού συστήματος σε κατοικία Το υλικό των σωληνώσεων Τα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα διακρίνονται σε συστήματα άμεσου και έμμεσου τύπου. Τα άμεσου τύπου εκμεταλλεύονται το πηγαίο νερό, που προέρχεται από την υδρογεώτρηση απ ευθείας από τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, ανεξάρτητα της ποιότητας του νερού. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας κατασκευάζονται με γεωεναλλάκτες νικελίου (Ni), χαλκού (Cu) ή τιτανίου (Ti). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην απαιτείται κάποιος επιπλέον εξοπλισμός, ώστε να επιτευχθεί η σωστή λειτουργία του συστήματος. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

36 Τα έμμεσα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα δε χρησιμοποιούν απ ευθείας το πηγαίο νερό στην εγκατάσταση. Στα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα έμμεσου τύπου παρεμβάλλεται ένας εναλλάκτης θερμότητας, ο οποίος διαχωρίζει το πηγαίο νερό από την υπόλοιπη γεωθερμική εγκατάσταση. Ο εναλλάκτης θερμότητας κατασκευάζεται από τιτάνιο, που τον καθιστά ανθεκτικό σε όλη τη διάρκεια της ζωής του έργου Η γεωμετρία και τύπος των σωληνώσεων Η γεώτρηση σε ένα ανοιχτό γεωθερμικό σύστημα θα πρέπει να έχει διάμετρο μεγαλύτερη των 12 ιντσών, ενώ η σωλήνωση, που θα τοποθετηθεί, θα πρέπει να είναι 1,5 έως 2 φορές μικρότερης διαμέτρου. Το κενό ανάμεσα στη γεώτρηση και τη σωλήνωση, που υπάρχει πάνω από το γεωθερμικό ταμιευτήρα πρέπει να τσιμεντώνεται, ενώ η τοποθέτηση ενός σωλήνα διαμέτρου 1-2 ιντσών μέχρι τον πυθμένα της γεώτρησης επιβάλλεται για μετρήσεις θερμοκρασίας και στάθμης. Ο γεωθερμικός εναλλάκτης είναι συνήθως ένα σύστημα διπλής σωλήνωσης διαμέτρου 1,5-2 ιντσών, μεταλλικό, τοποθετημένο στο εσωτερικό της σωλήνωσης της γεώτρησης, σχηματίζοντας ένα U στο τμήμα του γεωθερμικού ταμιευτήρα. Το σύστημα U είναι έτσι κατασκευασμένο, ώστε να παγιδεύει τα υλικά της διάβρωσης για να μην δημιουργούν προβλήματα στην ελεύθερη κυκλοφορία του νερού. Καθαρό νερό κυκλοφορεί μέσα στη σωλήνωση με ορισμένη ροή, χωρίς να αναμιγνύεται με το γεωθερμικό ρευστό, θερμαίνεται και εξέρχεται από την άλλη σωλήνωση, μεταφερόμενο στους προς θέρμανση χώρους. Ακολούθως, το ίδιο νερό, αφού αποβάλλει μέρος της θερμότητάς του (ψύχεται), επιστρέφει πάλι στον εναλλάκτη για να θερμανθεί. Το νερό κυκλοφορεί σε ένα κλειστό κύκλωμα, που συνδέει τον εναλλάκτη εντός της γεώτρησης με τους χώρους θέρμανσης. Πολλές φορές υπάρχει και δεύτερος εναλλάκτης εντός της γεώτρησης, που θερμαίνει το νερό ύδρευσης, για οικιακές χρήσεις σε ανοικτό κύκλωμα, όπου το νερό, μετά τη χρήση του, διοχετεύεται στην αποχέτευση. Βεβαίως, υπάρχουν και παραλλαγές του συστήματος ως προς τον εναλλάκτη (συνήθως με πολλαπλές σωληνώσεις), ενώ συχνά υποστηρίζεται με αντλία θερμότητας. Η ποιότητα των υλικών και κυρίως των σωληνώσεων εξαρτάται από την τάση διαβρωτικότητας και επικάθισης αλάτων των γεωθερμικών ρευστών, τη θερμική αγωγιμότητα των σωληνώσεων και τα είδη χρήσης του θερμαινόμενου ύδατος. Οι σωληνώσεις γεώτρησης θα πρέπει να επιλεγούν σωστά ποιοτικά, αφού η αντικατάστασή τους δεν είναι εφικτή. Σωληνώσεις θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης (fiberglass) ή πολυβουτυλενίου ή πολυβινιλίου προτείνονται σε γεωθερμικά ρευστά με τάσεις διάβρωσης ή επικάθισης αλάτων, όμως η θερμική αγωγιμότητά τους είναι σημαντικά μικρότερη αυτής των μεταλλικών σωληνώσεων. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

37 4.1.3 Το υγρό που ρέει μέσα στους σωλήνες Το υγρό που ρέει μέσα στους σωλήνες των ανοιχτών γεωθερμικών συστημάτων είναι συνήθως το νερό που προέρχεται από κάποια κοντινή πηγή ή ένα ποτάμι, μιας και απαραίτητη προϋπόθεση για την εγκατάσταση ενός ανοιχτού γεωθερμικού συστήματος είναι η ύπαρξη ενός πλούσιου υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Επομένως, το υγρό που θα χρησιμοποιηθεί στην προκειμένη περίπτωση προέρχεται από τη φύση, χωρίς κάποιες ιδιαίτερες χημικές παρεμβάσεις, εφόσον μπορεί να είναι εξίσου αποδοτικό. 4.2 Κλειστού Κυκλώματος Γεωθερμικά Συστήματα Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από ένα υπόγειο δίκτυο πλαστικών σωλήνων υψηλής αντοχής, που λειτουργεί ως εναλλάκτης θερμότητας. Στο κύκλωμα κυκλοφορεί ένα ρευστό, τυπικά νερό ή ένα υδρο-αντιψυκτικό διάλυμα, μπορεί όμως να χρησιμοποιηθούν και άλλα ρευστά μεταφοράς θερμότητας. Όταν οι απαιτήσεις για ψύξη προκαλούν την αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού στο κλειστό κύκλωμα, τότε μεταφέρεται θερμότητα στο ψυχρότερο έδαφος. Αντιστρόφως, όταν οι απαιτήσεις για θέρμανση προκαλούν την πτώση της θερμοκρασίας του ρευστού στο κλειστό κύκλωμα, τότε θερμότητα απορροφάται από το θερμότερο έδαφος. Υπάρχουν αρκετές ποικιλίες διατάξεων κλειστού κυκλώματος, όπως είναι το οριζόντιο, το κάθετο και το σπειροειδές, όπως έχει αναφερθεί και στα παραπάνω κεφάλαια Το υλικό των σωληνώσεων Ο γεωσυλλέκτης αποτελείται από πλαστικούς σωλήνες, που παρουσίαζουν ευκαμψία με δυνατότητα εύκολης επεξεργασίας για να γίνουν ισχυρές ενώσεις και αρθρώσεις. Τα χρησιμοποιούμενα υλικά είναι πολυβουτυλένιο και πολυαιθυλένιο. Στην Αμερική και στον Καναδά, ακόμα και σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες, όπου δεν υπάρχουν αντίστοιχα δικά τους πρότυπα ισχύουν οι εξής προδιαγραφές: Πρότυπα κατασκευής γεωσυλλέκτη: [Καναδά-ΗΠΑ] Πολυβουτυλένιο PB2110 με SDR 13,5 Πολυβουτυλένιο PB2110 με SDR 17 Πολυαιθυλένιο PE 3408 με SDR 11 Πολυαιθυλένιο PE 3408 με SDR 40, Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

38 Όπου SDR (Standard Dimension Ratio) είναι ο λόγος της διαμέτρου του σωλήνα προς το πάχος του τοιχώματος είναι αδιάστατο μέγεθος και μπορεί να εκφραστεί ως SDR = 2R / t, όπου 2R = η εξωτερική διάμετρος του σωλήνα t = το πάχος του τοιχώματος του σωλήνα Πρότυπα κατασκευής γεωσυλλέκτη [Ευρωπαική Ένωση]: VDI 4640 πολυαιθυλένιο PE-MRS(minimum required strength) 80 κατά DIN 8074 και DIN 8075 Συνήθως, χρησιμοποιούνται οι σωλήνες με το υψηλότερο SDR, αλλά αυτό είναι συνάρτηση του κόστους και του μελετητή. Το μέγεθος του σωλήνα πρέπει να είναι τέτοιο, ώστε να μειώνεται το κόστος κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας, που σπαταλάται στην ανακυκλοφορία του διαλύματος μέσα στο γεωσυλλέκτη. Επιπλέον, το μέγεθος του σωλήνα πρέπει να είναι τόσο μικρό, ώστε να δημιουργούνται στο εσωτερικό του φαινόμενα στροβιλισμού μεταξύ του κυκλοφορούντος υγρού και των τοιχωμάτων του σωλήνα, ούτως ώστε να έχουμε τη μέγιστη μεταφορά θερμότητας. Η βέλτιστη λύση λαμβάνεται μεταξύ του φαινομένου της θερμικής απόδοσης και της πτώσης της πίεσης. Οι σωληνώσεις μεγάλης διαμέτρου είναι ακριβότεροι, απαιτούν μεγαλύτερη ποσότητα αντιψυκτικού και είναι πιο δύσκολοι στο χειρισμό και στην εγκατάσταση τους από αυτούς που έχουν μικρότερη διάμετρο [Ψαρράς, 2012]. Οι σωλήνες, που τοποθετούνται σε παράλληλους βρόγχους έχουν μικρότερη διάμετρο, ενώ οι διανομείς, οι οποίοι μεταφέρουν το υγρό από και προς το κτίριο, είναι κατασκευασμένοι από σωλήνες μεγαλύτερης διαμέτρου. Οι σωλήνες και ο εξοπλισμός, που είναι εκτιθέμενοι στην ηλιακή ακτινοβολία, θα πρέπει να είναι ανθεκτικοί στις ακτίνες UV. Επίσης, οι σωλήνες πρέπει να είναι κατάλληλοι για τις προγραμματισμένες θερμικές μεταβολές. Τον τελευταίο καιρό έχει διαπιστωθεί ότι εμπλουτίζεται διαρκώς η γκάμα των προϊόντων των εταιριών, που κατασκευάζουν και προμηθεύουν σωλήνες στην ελληνική αγορά. Το πολυαιθυλένιο παρουσιάζει γρήγορη γήρανση μετά από συνεχή και μακροχρόνια έκθεση στον ήλιο, όμως αυτό δεν θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη, διότι οι σωληνώσεις αυτές είναι ενταφιασμένες στο έδαφος και δεν προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία σε αυτές. Δεν είναι τυχαίο ότι, παρόλο που οι κατασκευαστές εμπλουτίζουν τη γκάμα των προϊόντων τους, οι εγκαταστάτες δεν χρησιμοποιούν κάποιο άλλο υλικό, εκτός από PE100. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

39 Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το PE100 ακολουθεί τις παραπάνω προδιαγραφές, τόσο στη σκληρότητά του, όσο και στη θερμική αγωγιμότητα του, με αποτέλεσμα η γήρανσή του να είναι ελάχιστου ενδιαφέροντος, εφόσον πρόκειται για ενταφιασμένο υλικό Η γεωμετρία και τύπος των σωληνώσεων Οριζόντια γεωθερμικά συστήματα Η επιλογή του γεωσυλλέκτη συνδέεται με την επιλογή του τύπου, της συνδεσμολογίας του, του συνολικού κόστους της επένδυσης και του περιβάλλοντα χώρου. Αρκετές φορές ο τελευταίος παράγοντας προσδιορίζει τον τύπο του γεωσυλλέκτη, που θα εγκατασταθεί, ιδίως όταν πρόκειται για περιοχές με μικρό περιβάλλοντα χώρο. Ο βασικός στόχος, κατά την εγκατάσταση του οριζόντιου γεωσυλλέκτη, είναι η μείωση του μήκους και κατ επέκταση η εξοικονόμηση του περιβάλλοντα χώρου. Γι αυτό το λόγο, η διαμόρφωση του γεωσυλλέκτη πραγματοποιείται συνήθως σε slinky coils, ώστε να επιτευχθεί σημαντική μείωση του μήκους του. Το κάθε slinky coil είναι μια πεπλατυσμένη σπείρα πλαστικού σωλήνα. Το βήμα (pitch) είναι η απόσταση μεταξύ των κυκλικών σπειρών. Μπορεί να είναι μικρή και να υπάρχει επικάλυψη ή να είναι μεγαλύτερη και να καταλαμβάνει αρκετό χώρο. Και στις δυο περιπτώσεις όμως, το μήκος του γεωσυλλέκτη μειώνεται αρκετά. Στην περίπτωση της επικάλυψης το μήκος μειώνεται κατά 2/3 σε σχέση με έναν απλό γεωσυλλέκτη, ενώ στην παρατεταμένη μορφή του προκαλείται μείωση του μήκους του κατά 1/3. Τα slinky coils έχουν παρόμοια απόδοση είτε είναι τοποθετημένα κατακόρυφα σε λεπτό αύλακα, είτε βρίσκονται οριζόντια σε πλατιά τάφρο. Σε περιπτώσεις που ο διαθέσιμος περιβάλλοντας χώρος είναι περιορισμένος, είναι δυνατή η τοποθέτηση του γεωσυλλέκτη σε βαθύτερα στρώματα του εδάφους, με στόχο τη μείωση τόσο του σωλήνα που απαιτείται, όσο και του χώρου. Κατά την εκσκαφή και την τοποθέτηση των slinky coils θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κάποιες προδιαγραφές, οι οποίες αφορούν στον τύπο του εδάφους, στην εφαρμογή προτύπων, καθώς και στην επιλογή, αν κάποιο σύστημα προστασίας θα πρέπει να εφαρμοστεί και ποιό θα είναι τούτο. Για να εξασφαλιστεί η προστασία των σωλήνων, θα πρέπει να επικαλυφθούν με ένα στρώμα άμμου. Μια προστατευτική στρώση θα πρέπει να τοποθετηθεί περίπου 30 cm πάνω από τους σωλήνες. Η παρουσία της άμμου βοηθά στην απομάκρυνση του αέρα περιμετρικά του σωλήνα, με αποτέλεσμα την καλύτερη μεταφορά της θερμότητας. Οι θερμοκρασίες του εδάφους, σε βάθη μέχρι 1m, επηρεάζονται αρκετά από τις κλιματολογικές συνθήκες, που επικρατούν στην επιφάνεια. Σε βάθος 2m, η ελάχιστη θερμοκρασία βρίσκεται περίπου στους 10 C. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

40 Η θερμοκρασία αυτή αυξάνει με την αύξηση του βάθους. Παρόλα αυτά, η ποσότητα της ροής θερμότητας, που είναι αποτέλεσμα της συνεχούς ηλιακής ακτινοβολίας, μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από το έδαφος. Το ελάχιστο βάθος εγκατάστασης γεωσυλλέκτη θα πρέπει να ορίζεται τουλάχιστον από 1,2m έως 1,5m. Οι σωλήνες μεταφοράς της θερμότητας (γεωσυλλέκτης τύπου slinky) πρέπει να τοποθετείται σε κυκλικές διατάξεις συνδεδεμένες σε παράλληλη διάταξη. Εικόνα 4.2: Οριζόντιο και κάθετο γεωθερμικό σύστημα με γεωσυλλέκτη σε οριζόντια και κάθετη μορφή. Κάθετα γεωθερμικά συστήματα Στα κατακόρυφα γεωθερμικά συστήματα, η διάταξη των σωληνώσεων είναι κατακόρυφη, με αποτέλεσμα να υπάρχει αρκετή εξοικονόμηση περιβάλλοντος χώρου. Στα κατακόρυφα γεωθερμικά συστήματα τοποθετούνται δυο σωλήνες πολυαιθυλενίου μικρής διαμέτρου, σε μια κατακόρυφη οπή. Οι σωλήνες ενώνονται στον πάτο της οπής και σχηματίζουν έτσι μια διαμόρφωση U. Το βάθος των οπών μεταβάλλεται ανάλογα με τις τοπικές γεωλογικές συνθήκες. Τα πλεονεκτήματα των κατακόρυφων γεωθερμικών συστημάτων είναι ότι απαιτούν μικρό περιβάλλοντα χώρο, βρίσκονται σε επαφή με το έδαφος σε μεγάλο βάθος, το οποίο έχει σχετικά σταθερές θερμοκρασίες και θερμικές ιδιότητες, απαιτούν το μικρότερο μήκος σωληνώσεων, καθώς και μπορούν να επιτύχουν την καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τα υπόλοιπα γεωθερμικά συστήματα. Τα μειονεκτήματα τους, αντίστοιχα, είναι ότι έχουν υψηλό κόστος κατασκευής, λόγω της ανόρυξης των κατακόρυφων οπών με τη χρήση γεωτρύπανου. Οι τύποι του κατακόρυφου γεωσυλλέκτη μπορούν να κατηγοριοποιηθούν βάσει του τρόπου μεταφοράς της θερμότητας από και προς το έδαφος και με βάση τη γεωμετρία τους. Οι δυο βασικοί τύποι σχεδιασμού είναι ο κατακόρυφος γεωσυλλέκτης μορφής "U" (U-pipe), και ο κατακόρυφος ομοαξονικός (coaxial or tube in tube) γεωσυλλέκτης. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

41 Στον γεωσυλλέκτη με μορφή "U", η μεταφορά της θερμότητας πραγματοποιείται τόσο από το τμήμα καθόδου της ροής, όσο και από το τμήμα όπου επιστρέφει το διάλυμα στην επιφάνεια. Γι αυτό το λόγο, παρατηρείται και μερική διάχυση θερμότητας στα υψηλότερα σημεία της οπής από το θερμότερο στο ψυχρότερο, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι το σύστημα υπόκειται σε θερμικό stress. Αντίθετα, με τον γεωσυλλέκτη μορφής "U", στον ομοαξονικό σωλήνα η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται μονάχα από το ένα κανάλι ροής. Ο εσωτερικός σωλήνας είναι μονωμένος, με σκοπό την αποφυγή μετάδοσης της θερμότητας μεταξύ του θερμότερου και του ψυχρότερου τμήματος, με στόχο να εξαλειφθεί κάθε πιθανότητα θερμικού κλονισμού. Οι ομοαξονικοί γεωσυλλέκτες διαχωρίζονται ανάλογα με τη μορφή του εξωτερικού σωλήνα, ο οποίος είναι υπαίτιος για τη μεταφορά της θερμότητας από και προς το έδαφος. Το βασικό χαρακτηριστικό του κατακόρυφου γεωσυλλέκτη ομοαξονικού τύπου είναι ότι η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του διαλύματος νερού - αντιψυκτικού και του εδάφους πραγματοποιείται είτε από τα ανώτατα είτε από τα κατώτατα κανάλια ροής. Απλοποιημένες οδηγίες εγκατάστασης σωλήνα PE σε κατάσταση πίεσης Σωλήνες PE σε πίεση είναι μικρής διαμέτρου, με αποτέλεσμα να έχουν επαρκή ακαμψία και συνήθως να εγκαθίστανται σε μικρά βάθη, όπου δεν είναι αναγκαίο να γίνεται έλεγχος του σωλήνα για ενδεχόμενο παραμόρφωσης. Για επιτυχημένη εγκατάσταση των σωληνώσεων πρέπει να ληφθούν οι παρακάτω κατευθυντήριες γραμμές και να πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις: 1. Ο σωλήνας να έχει διάμετρο 24 ίντσες ή και λιγότερο. 2. Το SDR να είναι ίσο ή μικρότερο από 26 mm. 3. Το βάθος εγκατάστασης να είναι μεταξύ των 7.62m και 4.87m. 4. Το ύψος των υπόγειων υδάτων να μην ξεπερνά τα 0,6m, κάτω από την επιφάνεια 5. Η διαδρομή του αγωγού να είναι σταθερή στο έδαφος. Τα βήματα εγκατάστασης ενός σωλήνα είναι τα ακόλουθα : 1. Η εκσκαφή του εδάφους, ώστε να δημιουργηθεί μια τάφρος για την τοποθέτηση του σωλήνα 2. Η απομάκρυνση του νερού από το σημείο εγκατάστασης 3. Το διάστρωση του εδάφους στο σημείο εκσκαφής, ώστε ο σωλήνας να μην δέχεται περαιτέρω πιέσεις κατά την τοποθέτηση του 4. Η τοποθέτηση του σωλήνα στο σημείο εκσκαφής (στη τάφρο). Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

42 5. Η ενσφήνωση του σωλήνα, που επιτυγχάνεται με τη χρήση αδρομερών αδρανών υλικών όπως είναι το χαλίκι ή η άμμος. Ακόμα καλύτερα, επιτυγχάνεται όμως με τη χρήση λάσπης άμμου ή αργιλώδους άμμου. 6. Έλεγχος διαρροών, που γίνεται με την διεξαγωγή δοκιμών, εφόσον ο σωλήνας έχει ήδη ενταφιαστεί στο έδαφος. 7. Η επιχωμάτωση της τάφρου, ώστε να καλυφθεί ο σωλήνας, με την προϋπόθεση να έχει προβλεφθεί η απομάκρυνση πετρών, οργανικής ύλης και μεγάλων κομματιών αργιλίου από το επικαλυπτόμενο χώμα. Εικόνα 4.3: Η διατομή ενός σωλήνα κατά την εγκατάσταση του στη τάφρο,underground Installation Of PE Piping Το υγρό που ρέει μέσα στις σωληνώσεις Η ανταλλαγή της θερμότητας μεταξύ του εδάφους και της εγκατάστασης γίνεται διαμέσου του γεωσυλλέκτη και για να επιτευχθεί η μεταφορά της ενέργειας, χρησιμοποιούνται διαλύματα νερού αναμεμιγμένου με αντιψυκτικό, τα οποία συμβάλλουν στη μεταφορά θερμότητας. Το υγρό, που θα επιλεχθεί είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, όπως η ελάχιστη και η μέγιστη θερμοκρασία, το ιξώδες που παρατηρείται και άλλα. Πρωταρχικό ρόλο παίζει η διαμόρφωση του γεωσυλλέκτη, το υλικό της κατασκευής του, το βάθος και η διάταξή του, καθώς επίσης και η θερμική αγωγιμότητα του εδάφους. Η διάταξη του σωλήνα (οριζόντια ή κατακόρυφη, εν σειρά ή παράλληλη) παίζει ουσιαστικό ρόλο στο ρυθμό ανακυκλοφορίας του υγρού, γι αυτόν ακριβώς το λόγο θεωρείται, ότι η διαμόρφωση του γεωσυλλέκτη είναι αλληλένδετη με τον τύπο των υγρών, που θα χρησιμοποιηθούν. Τα πιο συνηθισμένα υγρά, που ρέουν μέσα σε ένα γεωθερμικό εναλλάκτη θερμότητας είναι υδάτινα διαλύματα, με βασικότερο το νερό και το χλωριούχο νάτριο ή το ασβέστιο. Λιγότερο συνήθη είναι η προπυλενογλυκόλη, η αιθυλενογλυκόλη, η μεθυλική αλκοόλη, η αιθυλική αλκοόλη και η ποτάσα. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

43 4.2.4 Τα είδη των υγρών που χρησιμοποιούνται σε κλειστού κυκλώματος γεωθερμικά συστήματα Το Νερό Το νερό αποτελεί αυτονόητα τη φθηνότερη λύση για ένα γεωθερμικό σύστημα. Παρουσιάζει χαμηλή τιμή ιξώδους, με αποτέλεσμα να δημιουργεί μικρές πτώσεις πιέσεως λόγω τριβών στα ευθύγραμμα και καμπυλωτά τμήματα των σωλήνων και των εξαρτημάτων. Παρουσιάζει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και, επομένως, αποτελεί καλό μέσο μεταφοράς της θερμότητας. Οι Ακλοόλες (Μεθυλική ή Αιθυλική Αλκοόλη) Η μεθυλική αλκοόλη ή μεθανόλη, χρησιμοποιείται ευρέως ως αντιψυκτικό υγρό. Το διάλυμα μεθανόλης νερού παρέχει ικανοποιητικά χαρακτηριστικά ως προς τη θερμική αγωγιμότητα που παρουσιάζει και τη χαμηλή πτώση πίεσης, λόγω τριβών. Αποτελεί ελκυστική λύση, εφόσον παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα σε χαμηλή τιμή. Το διάλυμα αλκοολών νερού εμφανίζει αρκετά υψηλό συντελεστή μεταφοράς της θερμότητας. Ωστόσο κατέχει υψηλή πτητικότητα (15 C), αναφλεξιμότητα και τοξικότητα. Το μίγμα νερού και αιθυλικής αλκοόλης βρίσκει και αυτό εφαρμογή, ως αντιψυκτικό υγρό. Γλυκόλες Οι γλυκόλες χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα μίγματα, που περιέχουν άλατα. Τα χαρακτηριστικά του μίγματος αιθυλενογλυκόλης είναι ότι είναι άχρωμο, άοσμο, και αναμιγνύεται πολύ εύκολα με το νερό. Το διάλυμα του μίγματος με το νερό έχει πολύ χαμηλά διαβρωτικά στοιχεία, με αποτέλεσμα να προτιμάται. Όμως, είναι αρκετά τοξικό και η ελαστικότητα του φτάνει σε υψηλά επίπεδα και οδηγεί, επομένως, σε υψηλές πτώσεις πίεσης και κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Διαλύματα νερού και προπυλενογλυκόλης Τα μίγματα αυτά τα χρησιμοποιούμε σαν αντικαταστάτες των μιγμάτων της αιθυλενογλυκόλης, μιας και ένα βασικό πλεονέκτημά τους είναι η χαμηλή τοξικότητα. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

44 Αυτά τα μίγματα έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτά των μιγμάτων της αιθελενογλυκόλης, όπως χαμηλή τιμή διαβρωτικότητας, πτητικότητας και ελάχιστη επικινδυνότητα, όσον αφορά την ευφλεκτικότητα. Έχουν όμως μεγαλύτερη τιμή κόστους και τα δε διαλύματα που σχηματίζουν έχουν υψηλό ιξώδες. Οι θερμοκρασίες, στις οποίες χρησιμοποιούνται αυτά τα διαλύματα είναι περίπου οι -10 C. Άλατα Τα άλατα που χρησιμοποιούνται διακρίνονται σε διαλύματα χλωριατά χλωριψηλώδους νατρίου και διαλύματα νερού με χλωριώδες ασβέστιο. Τα χλωριατά χλωριψηλώδους νάτριου διαλύματα έχουν χαμηλή τιμή ιξώδους και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Παρουσιάζουν χαμηλή τοξικότητα και πτητικότητα και δεν είναι εύφλεκτα. Επειδή είναι βασισμένα στο νάτριο, είναι διαβρωτικά διαλύματα, και απαιτούν αντιδιαβρωτική προστασία. Ωστόσο, ανά τακτά χρονικά διαστήματα είναι απαραίτητη η μέτρηση του ph του διαλύματος, με στόχο την αποφυγή του όξινου χαρακτήρα. Τα μίγματα νερού χλωριώδους ασβεστίου παρέχουν καλύτερη συμπεριφορά στην τήξη τους, από αυτά που περιέχουν χλωριώδες νάτριο. Το κόστος τους είναι χαμηλότερο από τα διαλύματα που περιέχουν χλωριώδες νάτριο. Τα μίγματα αυτά απαντώνται σε νιφάδες, που χρησιμοποιούνται περισσότερο από όλες τις άλλες μορφές, σε στερεά και σε διαλύματα. Τα διαλύματα, που περιέχουν χλωριώδες ασβέστιο εμφανίζουν σοβαρά προβλήματα διάβρωσης και γι αυτό είναι υποχρεωτική η συνεχής παρακολούθηση του συστήματος. Νερό Αιθυλενογλυκόλ η Προπυλενογλυκ όλη Μεθανόλη Μοριακό Βάρος Ειδικό Βάρος 20/20 1, Σημείο Πήξης C Σημείο Βρασμού C Ιξώδες,0 C, cp Ιξώδες,20 C, cp Ιξώδες,40 C, cp Πίνακας 4.1: Φυσικοχημικές ιδιότητες διαλυμάτων, Ψαρράς (2012) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

45 5. Σύγκριση Υλικών για κλειστό (οριζόντιο/ κατακόρυφο) γεωθερμικό σύστημα μελέτη εναλλακτικών προτάσεων Τα κύρια υλικά που χρησιμοποιούνται σε κλειστά γεωθερμικά συστήματα για την κατασκευή των σωληνώσεων, που θα τοποθετηθούν στο έδαφος, όπως έχουμε αναφέρει στο προηγούμενο κεφάλαιο, είναι τα πολυβουτυλένιο και πολυαιθυλένιο, με πιο κοινό το δεύτερο. Όμως, ενώ τα πολυμερή είναι φθηνά και ανθεκτικά, έχουν πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, και επομένως, πολύ χαμηλό ρυθμό ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ του εδάφους και του υγρού που ρέει μέσα στις σωληνώσεις. Η οικογένεια υλικών με τις μεγαλύτερες τιμές θερμικής αγωγιμότητας είναι τα μέταλλα και συγκεκριμένα ο χαλκός. Στην εικόνα 5.1 δίνεται ένα διάγραμμα ιδιοτήτων θερμικής αγωγιμότητας - κόστους ανά μονάδα όγκου (χάρτης Ashby), όπου συμπεριλαμβάνονται οι δύο αυτές κατηγορίες υλικών. Τα ελλειψοειδή αναπαριστούν τις περιοχές, που καταλαμβάνουν στον χάρτη ιδιοτήτων διάφορα υλικά. Τα μπλε ελλειψοειδή αντιστοιχούν στις περιοχές που καταλαμβάνουν 555 διαφορετικά πολυμερικά υλικά, ενώ τα ελλειψοειδή διαφορετικού χρώματος αντιπροσωπεύουν 1690 μεταλλικά κράματα: τα τυρκουάζ αντιστοιχούν σε κράματα σιδήρου (χάλυβες και χυτοσίδηροι), τα μαύρα σε πυρίμαχα κράματα (υψηλού σημείου τήξης), τα μωβ σε ελαφριά κράματα (αλουμινίου, μαγνησίου, τιτανίου) και τα κόκκινα στα υπόλοιπα μεταλλικά κράματα. Από το διάγραμμα φαίνεται ότι τις υψηλότερες τιμές αγωγιμότητας τις παρουσιάζουν κράματα χαλκού, και ιδιαίτερα χαλκός υψηλής καθαρότητας (high conductivity copper). O χαλκός όμως διαβρώνεται πολύ εύκολα, με αποτέλεσμα ένας σωλήνας χαλκού στο υπέδαφος σταδιακά να υποβαθμίζεται μηχανικά. Επίσης, είναι ένα ιδιαίτερα ακριβό υλικό γεγονός, που λειτουργεί εξίσου αρνητικά στην επιλογή του. Μια βέλτιστη λύση θα συνδύαζε το χαμηλό κόστος και τη χημική αδράνεια των πολυμερών με τις καλές θερμικές ιδιότητες των μετάλλων. Επιλέγοντας το ευρέως χρησιμοποιούμενο πολυαιθυλένιο (PE) ως μέτρο σύγκρισης, θα γίνει μια πιο συστηματική μελέτη της επιλογής υλικού βάσει περιορισμών και στόχων. Μια πρώτη προσέγγιση της λύσης, δεδομένης της κατανομής των υλικών στο διάγραμμα της εικόνας 5.1, θα μπορούσε να περιλαμβάνει λεπτές ράβδους χαλκού στο εσωτερικό σωλήνα PE, έτσι ώστε να αυξηθεί η απόδοσή του ως προς τη θερμική του αγωγιμότητα, δημιουργώντας ένα υβριδικό υλικό, που από τη μια πλευρά θα είναι θερμικά αποδοτικότερο και από την άλλη, σχετικά οικονομικό. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

46 Εικόνα 5.1 Κατανομή των υλικών (πολυμερή-μέταλλα) συναρτήσει της θερμικής αγωγιμότητας και του κόστους ανά μονάδα όγκου 5.1 Το πολυαιθυλένιο Το πολυαιθυλένιο είναι ένα πολυμερές και ανήκει στην κατηγορία των θερμοπλαστικών. Τα θερμοπλαστικά πολυμερή γίνονται μαλακότερα όταν θερμαίνονται και σκληρύνονται όταν ψύχονται. Τα υλικά αυτά συνήθως μπορούν να κατεργαστούν με ταυτόχρονη εφαρμογή θερμότητας και πίεσης. Σε μοριακό επίπεδο, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, οι δευτερεύουσες διαμοριακές δυνάμεις μειώνονται λόγω αυξημένης μοριακής θερμικής κίνησης, έτσι ώστε η σχετική κίνηση μεταξύ γειτονικών αλυσίδων να διευκολύνεται, όταν εφαρμόζεται μια τάση. Μη αντιστρεπτή υποβάθμιση συμβαίνει όταν η θερμοκρασία ενός τήγματος αυξηθεί σε τέτοιο βαθμό, ώστε οι ατομικές ταλαντώσεις στα μακρομόρια να είναι αρκετά βίαιες και να σπάσουν οι πρωτεύοντες ομοιοπολικοί δεσμοί. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

47 Επιπλεόν, τα θερμοπλαστικά είναι σχετικώς μαλακά και όλκιμα. Τα περισσότερα γραμμικά πολυμερή, καθώς και εκείνα, που έχουν διακλαδωμένες δομές με ευέλικτες αλυσίδες είναι θερμοπλαστικά. Το πολυαιθυλένιο, εφόσον ανήκει στην κατηγορία των πλαστικών υλικών, διακρίνεται από ένα εύρος συνδυασμού ιδιοτήτων. Ορισμένα πλαστικά είναι πολύ δύσκαμπτα και ψαθυρά. Άλλα είναι εύκαμπτα και έχουν παράλληλα πλαστική και ελαστική παραμόρφωση, όταν υποβάλλονται σε τάση, και μερικές φορές υφίστανται σημαντική παραμόρφωση πριν τη θραύση. Συγκεκριμένα, το πολυαιθυλένιο ως προς τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα κυρίων εφαρμογών του, παρουσιάζει αντίσταση στα χημικά, είναι ηλεκτρικά μονωτικό, είναι ανθεκτικό και με σχετικά χαμηλό συντελεστή τριβής, έχει χαμηλή αντοχή και χαμηλή αντίσταση στη φθορά σε περιβαλλοντικούς παράγοντες. Κάποιες τυπικές εφαρμογές του είναι στην κατασκευή πλαστικών μπουκαλιών εύκαμπτων, παιχνιδιών, δοχείων, εξαρτημάτων μπαταριών, παγοθηκών, φιλμ περιτυλίγματος κ.α. 5.2 Ο χαλκός Ο χαλκός και τα κράματά του, συνδυάζουν πολλές επιθυμητές φυσικές ιδιότητες και έχουν χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Είναι ένα μέταλλο μαλακό, ελατό και όλκιμο με ερυθρή απόχρωση, ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού αμέσως μετά τον άργυρο. Κατά την αρχαιότητα χρησιμοποιούταν κυρίως ως κράμα με τον ψευδάργυρο (ορείχαλκος) και τον κασσίτερο (μπρούντζος). Ο καθαρός χαλκός είναι τόσο μαλακός και όλκιμος, που είναι δύσκολο να επεξεργαστεί μηχανικά με εργαλειομηχανές, επίσης έχει σχεδόν απεριόριστη δυνατότητα σε ψυχρηλασία. Επιπλέον, παρουσιάζει ισχυρή αντίσταση στη διάβρωση σε αρκετά διαφορετικά περιβάλλοντα όπως στην περιβάλλουσα ατμόσφαιρα, στο θαλασσινό νερό και σε ορισμένα βιομηχανικά χημικά. Οι μηχανικές του ιδιότητες, καθώς και η αντίστασή του στη διάβρωση, είναι δυνατό να βελτιωθούν με κραμάτωση. Τα περισσότερα κράματα χαλκού δεν μπορούν να σκληρυνθούν ή να ενισχυθούν με διαδικασίες θερμικής κατεργασίας. Συνεπώς, η βελτίωση των προαναφερθεισών ιδιοτήτων επιτυγχάνεται με ψυχρηλασία και/ή με κραμάτωση στερεού διαλύματος. Το ειδικό βάρος χαλκού είναι 8,9 Mg/m 3, έχει σημείο τήξης 1083 C, υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία όμως με την προσθήκη άλλων στοιχείων, π.χ. Al, Fe, P κ.λ.π. μειώνεται. Η θερμική του αγωγιμότητα είναι περίπου 5 φορές μεγαλύτερη από αυτή του σιδήρου, που σημαίνει άμεση εκροή θερμότητας και γρήγορη ψύξη του σημείου συγκόλλησης, γι αυτό, σε σχετικά μεγάλα πάχη πριν τη συγκόλληση απαιτείται προθέρμανση. Άλλο χαρακτηριστικό του χαλκού είναι ότι, λόγω υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας δυσκολεύει τη συγκόλληση με αντιστάσεις. Η εν λόγω μέθοδος μπορεί να εφαρμοσθεί με υψηλή ένταση, σε μικρό χρόνο συγκόλλησης και σε πάχη έως 2mm. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

48 Οι κυριότερες εφαρμογές του χαλκού είναι: ηλεκτρικοί αγωγοί, υλικό κατασκευών (σωληνώσεις), μεγάλη ποικιλία κραμάτων, νομίσματα, οπτικές ίνες των οποιών, όμως, η εφαρμογή στις επικοινωνίες έχει μειωθεί σημαντικά στις μέρες μας. Τεχνολογικές ιδιότητες Ο χαλκός έχει εδροκεντρωμένη κυβική κρυσταλλική μορφή, είναι μαλακός, όλκιμος, κατεργάζεται και διαμορφώνεται σε ψυχρή και θερμή κατάσταση, μέσω σφυρηλάτησης ή εξέλασης. Η αύξηση σκληρότητας του χαλκού γίνεται μόνο κατά τη ψυχρή κατεργασία μείωση της σκληρότητάς του (μαλακότητα), επιτυγχάνεται δε με επαναθέρμανση και απότομη ψύξη (συμβαίνει αντίθετα απ ότι στο χάλυβα). Κομμάτια χαλκού μπορούν να συνδεθούν «εν ψυχρώ» τόσο μεταξύ τους όσο και με άλλα υλικά, π.χ., με το αλουμίνιο με τη μέθοδο «δια πιέσεως». Τα προς συγκόλληση τεμάχια πιέζονται μεταξύ τους σε συγκεκριμένη πίεση, όπου ρευστοποιούνται οι άκρες και γίνεται η συγκόλληση. Η χύτευση του καθαρού χαλκού είναι δύσκολη, απαιτούνται καλές εγκαταστάσεις και εμπειρία, γιατί σε ρευστή κατάσταση έχει μεγάλη απορροφητικότητα σε αέρια. Η εν λόγω απορροφητικότητα μειώνεται με την προσθήκη των στοιχείων P, Mn, Mg, Si. Χημικές ιδιότητες Ο χαλκός έχει καλές αντιδιαβρωτικές ικανότητες έναντι της ατμόσφαιρας (αέρος), της υγρασίας, του ζεστού απεσταγμένου και του θαλασσινού νερού. Ο χαλκός που εκτίθεται στην ατμόσφαιρα αποκτά επιφανειακά μια πράσινη επίστρωση (η λεγόμενη πατίνα), η οποία αποτελείται από βασικά άλατα χαλκού και προστατεύει το υπόλοιπο υλικό (όπως γίνεται παρόμοια και με το αλουμίνιο). 5.3 Επιλογή υλικού βάσει γεωμετρικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών των σωληνώσεων Η συστηματική επιλογή υλικού για τις σωληνώσεις θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τους περιορισμούς και τους στόχους, που επιβάλλει η λειτουργία του αντικειμένου στην σχεδίαση. Βάσει αυτών, επιχειρείται η εξαγωγή ενός δείκτη απόδοσης, που η επιλογή υλικού θα πρέπει να μεγιστοποιεί. Εξετάζονται δύο βασικοί περιορισμοί, που οδηγούν σε διαφορετική σχεδίαση του αντικειμένου: Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

49 1. Ο σωλήνας να μην αστοχεί λόγω λυγισμού από το βάρος του εδάφους σχεδίαση για λυγισμό 2. Ο σωλήνας να μην αστοχεί εξαιτίας της πίεσης του υγρού (περιορισμός που είναι και ο σημαντικότερος) σχεδίαση για πίεση Λαμβάνοντας υπόψη τους εξής παράγοντες: R = η ακτίνα του σωλήνα t = το πάχος του σωλήνα L = το μήκος του σωλήνα m = η μάζα του σωλήνα p = η πίεση του υγρού στο εσωτερικό του σωλήνα σθ = η τάση που ασκείται περιμετρικά στα τοιχώματα του σωλήνα εξαιτίας της πίεσης του υγρού F = η δύναμη που ασκείται παράλληλα με τον άξονα του σωλήνα 6 Ε = το μέτρο ελαστικότητας του υλικού του σωλήνα ρ = η πυκνότητα του υλικού του σωλήνα λ = η θερμική αγωγιμότητα του υλικού του σωλήνα Cm = το κόστος του υλικού του σωλήνα ανά μονάδα μάζας!q = η ροή θερμότητας διαμέσου του τοιχώματος εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας ΔΤ μεταξύ νερού και εδάφους C = το κόστος του σωλήνα, οι εξισώσεις που προκύπτουν απο τους παραπάνω περιορισμούς είναι: F F CR = n2 π 2 EI = n2 π 2 Ewt 3 L 2 12L 2, (5.1) όπου w το πλάτος μιας ορθογώνιας λωρίδας του τοιχώματος του σωλήνα (βλ. εικόνα 5.2) και Fcr το κρίσιμο φορτίο για λυγισμό (σχέση Euler) και 6 Σε αυτό το σημείο γίνεται μια προσέγγιση. Ο σωλήνας είναι σε κάμψη υπό το κατανεμημένο φορτίο του βάρους του εδάφους. Επειδή είναι υπό πίεση και έχει πολύ λεπτά τοιχώματα σε σχέση με την διάμετρό του, η κάμψη θα προκαλέσει λυγισμό του τοιχώματος. Η επιλογή του αξονικού φορτίου γίνεται για απλοποίηση του προβλήματος και, όπως θα φανεί στην συνέχεια, δεν επηρεάζει τον δείκτη απόδοσης. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

50 σθ = pr σy, t (5.2) όπου σy είναι το όριο διαρροής του υλικού. Εικόνα 5.2 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σωλήνα που υπεισέρχονται στις ανισότητες των περιορισμών Οι δυο πιο προφανείς στόχοι σε ένα σωλήνα για εναλλάκτη, είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους και η μεγιστοποίηση της ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον. Εφόσον το υγρό έχει συγκεκριμένη ροή και ταχύτητα, η ακτίνα του σωλήνα είναι δεδομένη. Επιπλέον, το μήκος του σωλήνα έχει προκύψει από τους περιορισμούς των διαστάσεων της εγκατάστασης. Η μόνη παράμετρος που είναι ελεύθερη στον σχεδιασμό είναι το πάχος. Ως προς τους δύο στόχους, το πάχος μπορεί να εκφραστεί βάσει των παρακάτω σχέσεων: 1. για ελαχιστοποίηση του κόστους C = Cm m = Cm ρ 2π Rt t = C, Cm ρ 2π R (5.3) 2. για μεγιστοποίηση της ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον q! = λ ΔT ΔT t =λ t q!. (5.4) Επομένως, με αντικατάσταση της ελεύθερης μεταβλητής του πάχους από τις (5.3) και (5.4) διαδοχικά στους περιορισμούς (5.1) και (5.2) προκύπτουν τα όρια για κάθε στόχο, και, κατά συνέπεια, η επιλογή υλικού βάσει ενός συνδυασμού ιδιοτήτων του (δείκτης απόδοσης). Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

51 Από τον περιορισμό λυγισμού και με στόχο το κόστος προκύπτει: n 2 π 2 EwC 3 F 12 L 3 C m3 ρ 3 8π 3 R C 3 12L3 C 3 m ρ 3 8π 3 R 3 F 3 n 2 π 2 Ew C 121/3 LC m ρ 8 1/3 π R F 1/3 C 121/3 L 8 1/3 π R F 1/3 n 2/3 π 2/3 E 1/3 w 1/3 n 2/3 π 2/3 w 1/3 C mρ E 1/3 (5.5) Η τελευταία ανισότητα ορίζει ένα κάτω όριο στο κόστος, βάσει περιορισμού αστοχίας λυγισμού. Στο δεξιό σκέλος της ανισότητας, ο πρώτος όρος σε αγκύλες περιέχει σταθερές και μεγέθη ορισμένα από τις απαιτήσεις/ προδιαγραφές, που θέτει ο χώρος εγκατάστασης, η σύσταση του εδάφους, το βάθος ενταφιασμού, τα χαρακτηριστικά ροής στους σωλήνες ο δεύτερος όρος σε αγκύλες εξαρτάται αποκλειστικά από τις ιδιότητες του υλικού. Ο πρώτος όρος είναι επομένως σταθερός, και το κόστος εξαρτάται αποκλειστικά από την επιλογή υλικού: όσο μικρότερη τιμή έχει το κλάσμα τόσο χαμηλότερο το κόστος. Το αντίστροφο αυτού του κλάσματος είναι ο λεγόμενος δείκτης απόδοσης του υλικού για ελαχιστοποίηση του κόστους του σωλήνα όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός, M 1 = E1/3. C m ρ C m ρ E 1/3 Βάσει του δείκτη απόδοσης και ενός διαγράμματος ιδιοτήτων υλικών, που περιλαμβάνει τα σχετικά μεγέθη, μπορεί να διερευνηθεί ο χώρος των υλικών, ώστε να γίνει η βέλτιστη επιλογή. Ένα τέτοιο διάγραμμα φαίνεται στην εικόνα 5.3. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

52 Εικόνα 5.3 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρο του Young - κόστος ανά μονάδα όγκου) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων Σε αυτό το διάγραμμα ιδιοτήτων, όπου οι άξονες είναι λογαριθμικοί, η σχέση που ορίζει τον δείκτη απόδοσης αντιπροσωπεύεται από μια ευθεία με κλίση τρία. Στην εικόνα 5.3, έχει σχεδιαστεί αυθαίρετα μια τέτοια ευθεία, που διέρχεται από την περιοχή του χαλκού, έτσι ώστε η περιοχή με τιμές του δείκτη απόδοσης καλύτερες από αυτές που αντιστοιχεί η ευθεία, να περιλαμβάνει τα υλικά ενδιαφέροντος (κοινά μέταλλα και πολυμερή 7). Η απόσταση των περιοχών των υλικών από την ευθεία αυτή δίνει την σχετική τους απόδοση. Για παράδειγμα, το PE είναι πολύ πιο αποδοτικό από τον χαλκό (copper), αλλά ο χάλυβας χαμηλής κραμάτωσης (low alloy steel) έχει ακόμη καλύτερη απόδοση, ως προς τον συγκεκριμένο συνδυασμό περιορισμού - στόχου. Από τον περιορισμό του λυγισμού και τον στόχο μεγιστοποίησης της ροής θερμότητας προκύπτει: 7 Στην εικόνα 5.3 η βάση δεδομένων των υλικών είναι πολύ πιο περιορισμένη από αυτήν της εικόνας 5.1 Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

53 F n2 π 2 Ewλ 3 ΔT 3 12L 3!q 3!q n2/3 π 2/3 w 1/3 ΔT 12 1/3 L 2/3 F 1/3 E1/3 λ!q n2/3 π 2/3 E 1/3 w 1/3 λ ΔT 12 1/3 L 2/3 F 1/3 (5.6) Εικόνα 5.4 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρο του Young - θερμική αγωγιμότητα) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων Όμοια με την περίπτωση ελαχιστοποίησης του κόστους (σχέση 5.5), η μεγιστοποίηση της ροής θερμότητας πραγματοποιείται με μεγιστοποίηση του δείκτη απόδοσης υλικού, M 2 = E 1/3 λ, δεδομένου ότι τα μεγέθη του πρώτου όρου, στο δεξί σκέλος της ανισότητας 5.6, είναι προδιαγεγραμμένα. Βάσει του δείκτη απόδοσης Μ2 και του διαγράμματος των σχετικών ιδιοτήτων υλικών, μπορεί να γίνει η βέλτιστη επιλογή μέσα από την πληθώρα των διαθέσιμων υλικών. Το διάγραμμα φαίνεται στην εικόνα 5.4. Η ευθεία, που αντιστοιχεί στον δείκτη απόδοσης, έχει σχεδιαστεί στην περιοχή του PE. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

54 Η απόσταση που έχουν τα μέταλλα από τα πολυμερή, δηλώνει την συντριπτική υπεροχή τους όσον αφορά τη θερμική τους αγωγιμότητα. Τα κράματα χαλκού (copper) παρουσιάζουν την καλύτερη απόδοση και, σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα της εικόνας 5.4, προκρίνουν ένα υβρίδιο πολυμερούς - χαλκού ως εναλλακτικής λύσης αντί κάποιου καθαρού υλικού. Με την ίδια μεθοδολογία μπορεί να γίνει διερεύνηση του χώρου των υλικών, όταν ο περιορισμός είναι η αστοχία από την πίεση του υγρού. Από αυτόν τον περιορισμό και το στόχο ελαχιστοποίησης του κόστους προκύπτει: σ y p R2 ρ 2π C m C C C p R 2 ρ 2π m ρ σ y C p R2 ρ 2π C m σ y (5.7) Ο δείκτης απόδοσης σε αυτήν την περίπτωση είναι M 3 = σ y. Με βάση αυτό το κριτήριο C m ρ και τον αντίστοιχο χάρτη Ashby (εικόνα 5.5) γίνεται φανερό, ότι τα επικρατέστερα υλικά είναι οι χάλυβες και οι χυτοσίδηροι, ενώ ακόμη και το PE, εξαιτίας της χαμηλής του τιμής, είναι καλύτερο από τα αποδοτικότερα κράματα χαλκού. (Η σημασία αυτού του αποτελέσματος γίνεται περισσότερο φανερή σε ένα επόμενο στάδιο της επιλογής, όπου εξετάζεται ταυτόχρονα η ελαχιστοποίηση του κόστους και η μεγιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας.) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

55 Εικόνα 5.5 Διάγραμμα ιδιοτήτων (όριο διαρροής - κόστος ανά μονάδα όγκου) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων Αντίστοιχα από τον περιορισμό της πίεσης και τον στόχο της μεταφοράς θερμότητας προκύπτει: σ y pr!q λ ΔΤ!q σ yλδt pr!q ΔT pr [σ yλ], (5.8) Ο δείκτης απόδοσης M 4 = σ y λ αντιστοιχεί σε ευθεία με κλίση ένα, σε διάγραμμα λογαριθμικών αξόνων ορίου διαρροής - θερμικής αγωγιμότητας (εικόνα 5.6). Όπως και στην περίπτωση επιλογής στην εικόνα 5.4, φαίνεται η δραματική διαφορά στην απόδοση των μετάλλων εξαιτίας της θερμικής τους αγωγιμότητας. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

56 Ταυτόχρονα, διαπιστώνεται ότι ο χαλκός (copper) είναι εξίσου αποδοτικός με τους χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης (low alloy steel), αν και είναι πολύ πιο αγώγιμος. Εικόνα 5.6 Διάγραμμα ιδιοτήτων (όριο διαρροής - θερμική αγωγιμότητα) όπου φαίνεται η σχετική θέση μερικών κοινών πολυμερών και μετάλλων Όπως φαίνεται από την παραπάνω πρώτη προσέγγιση στο πρόβλημα επιλογής υλικού, τα αποτελέσματα δεν είναι κατηγορηματικά: ο χαλκός, που βάσει της υψηλής του αγωγιμότητας, εμφανιζόταν ως το επικρατέστερο υλικό για να συνδυαστεί με το PE, έχει αρκετά μειονεκτήματα, που προκύπτουν, κυρίως λόγω των υποδεέστερων μηχανικών του ιδιοτήτων σε σχέση με τα κράματα σιδήρου. Για να γίνει πιο καθαρή η εικόνα, θα επιχειρηθεί ένα δεύτερο στάδιο επιλογής όπου θα συνυπολογιστούν ταυτόχρονα και οι δύο σχεδιαστικοί στόχοι. (Επειδή η σχεδίαση για τους δύο διαφορετικούς περιορισμούς καταλήγει σε διαφορετικές γεωμετρίες, όπως θα εξηγηθεί στην συνέχεια, εξετάζονται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον.) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

57 Σε αυτό το δεύτερο στάδιο επιλογής, οι πολλαπλοί στόχοι αντιμετωπίζονται με μία μοναδική συνάρτηση ποινής. Η συνάρτηση ποινής είναι μια αντικειμενική συνάρτηση, γραμμική ως προς δύο μεταβλητές: το κόστος και την μεταφορά θερμότητας. Για να αποφευχθεί η εξάρτηση της συνάρτησης ποινής από άλλες παραμέτρους, που θεωρούνται δεδομένες, όπως το φορτίο στον σωλήνα ή την πίεση του υγρού, χρησιμοποιείται η ειδική συνάρτηση ποινής, όπου οι στόχοι ανάγονται, αντίστοιχα, σε κόστος και μεταφορά θερμότητας ενός πρότυπου υλικού. Η φυσική επιλογή του πρότυπου υλικού είναι αυτό, που έχει την πιο διαδεδομένη χρήση, το PE. Στην ειδική συνάρτηση ποινής, κάθε όρος που συμμετέχει, πολλαπλασιάζεται με έναν αδιάστατο συντελεστή βαρύτητας. Επειδή η συνάρτηση ποινής επιλέγεται, ώστε να εκφράζει κόστος, το ανηγμένο κόστος έχει συντελεστή ένα και η ανηγμένη ροή θερμότητας (η οποία συμμετέχει στην συνάρτηση ποινής αντίστροφα ώστε να αντιπροσωπεύει μέγεθος του οποίου επιδιώκεται η ελαχιστοποίηση) έχει έναν συντελεστή α, την ειδική σταθερά ανταλλαγής. Η σταθερά ανταλλαγής, σε αυτήν την περίπτωση εκφράζει την στοιχειώδη μεταβολή της συνάρτησης ποινής για μια στοιχειώδη μεταβολή της ανηγμένης ροής θερμότητας: Z* = C C o + a *!q o!q, (5.9) όπου Co και!q o το κόστος και η ροή θερμότητας για σωλήνα PE, υπό τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας και με την ίδια γεωμετρία με το υλικό υπό επιλογή. Λύνοντας την σχέση 5.9 ως προς την ανηγμένη ροή θερμότητας, και για δεδομένη τιμή της συνάρτησης ποινής, προκύπτει μια ευθεία με κλίση -1/α*. Σε ένα διάγραμμα αντίστροφης ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους, τα υλικά που έχουν χαμηλότερες τιμές σε έναν από τους δύο στόχους (κόστους ή αντίστροφης ροής θερμότητας), σχηματίζουν ένα γεωμετρικό τόπο, που ονομάζεται επιφάνεια συμβιβασμού [Ashby (2008)]. Τα υλικά που ελαχιστοποιούν την συνάρτηση ποινής, είναι πάνω στην επιφάνεια συμβιβασμού, και στην περιοχή, όπου η ευθεία είναι εφαπτομενική της καμπύλης. Στην εικόνα 5.7 φαίνεται το διάγραμμα, που αντιστοιχεί στην συνάρτηση ποινής, όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός. Σε αυτήν την περίπτωση, η σχέση 5.9 διαμορφώνεται ως εξής: Z * = C 1/3 1/3 mρ E PE C mpe ρ PE E + E PE λ PE 1/3 a* E 1/3 λ 1/3 E PE λ PE E 1/3 λ = 1 Z * 1 1/3 C m ρ E PE α * α * C mpe ρ PE E 1/3 (5.10) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

58 Εικόνα 5.7 Διάγραμμα αντίστροφης ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας του βάρους του εδάφους Στις συντεταγμένες (1,1) βρίσκεται το PE (το υλικό ως προς το οποίο έχει γίνει η αναγωγή). Η ευθεία, με κλίση -1/α* σε διπλούς λογαριθμικούς άξονες, εμφανίζεται ως καμπύλη και έχει σχεδιαστεί για την ελάχιστη τιμή του Ζ*, η οποία εφάπτεται στην επιφάνεια συμβιβασμού. Έχει επιλεγεί να δοθεί ίση βαρύτητα στους δύο στόχους (κόστος και θερμική ροή), δηλαδή, α* = 1. Για αυτήν την τιμή της σταθεράς ανταλλαγής, φαίνεται ξεκάθαρα, ότι τα βέλτιστα υλικά είναι τα κράματα σιδήρου και ιδιαίτερα οι χάλυβες (low carbon steel, high carbon steel, low alloy steel). Αν δοθεί μικρότερη βαρύτητα στην μεταφορά θερμότητας, π.χ., α* = 10-2, η καμπύλη μετακινείται προς τα πάνω, χωρίς να αλλάζει η επιλογή. Με άλλα λόγια, όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός των τοιχωμάτων του σωλήνα, τα υλικά που ικανοποιούν με τον βέλτιστο τρόπο και τους δύο στόχους ταυτόχρονα είναι οι χάλυβες. Όταν αυξηθεί η τιμή της σταθεράς ανταλλαγής σε τιμές μεγαλύτερες του 10 4, τότε μόνον αρχίζουν και εμφανίζονται ως βέλτιστη επιλογή άλλα κράματα, όπως κράματα αλουμινίου, ενώ η επιλογή του χαλκού παρουσιάζεται για τιμές του α* πάνω από Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

59 Επομένως, η συνεισφορά στην απόφαση επιλογής υλικού της θερμικής αγωγιμότητας γίνεται σημαντική, όταν η βαρύτητα της ροής θερμότητας μεταξύ υγρού και περιβάλλοντος είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από ό,τι του κόστους. Ο χαλκός μπορεί να έχει την μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα, αλλά για κάθε πρακτικό σκοπό οι χάλυβες αποδεικνύονται πολύ πιο αποδοτικοί. Εφαρμόζοντας τον περιορισμό της αντοχής του υλικού στην πίεση του υγρού, τα παραπάνω συμπεράσματα ενισχύονται. Συγκεκριμένα, η σχέση 5.9 εκφράζεται ως εξής: λ PE Z * = C mρ σ ype + a σ * y PE C mpe ρ PE σ y σ y λ σ ype λ PE σ y λ = 1 α * Z * 1 α * C m ρ σ ype C mpe ρ PE σ y (5.11) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

60 Εικόνα 5.8 Διάγραμμα αντίστροφης ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι η διαρροή των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας της πίεσης του υγρού Το διάγραμμα που αντιστοιχεί στην παραπάνω σχέση, παρουσιάζεται στην εικόνα 5.8. Η καμπύλη στο διάγραμμα αντιπροσωπεύει την ελάχιστη τιμή της συνάρτησης ποινής για τιμή της σταθεράς ανταλλαγής, α* = 1. Και σε αυτήν την περίπτωση, η βέλτιστη επιλογή είναι τα κράματα σιδήρου. Χαμηλότερες τιμές του α* απλά μετακινούν την καμπύλη προς τα πάνω, ενώ η βαρύτητα του στόχου της ανταλλαγής θερμότητας, θα πρέπει να ξεπεράσει αυτήν του κόστους κατά πέντε τάξεις μεγέθους, για να προκριθούν ως βέλτιστα τα κράματα αλουμινίου, και τις έξι τάξεις μεγέθους για να επιλεγεί ο χαλκός. Επομένως, από τα δύο τελευταία διαγράμματα αναδεικνύεται η σημασία του συνυπολογισμού των στόχων στην επιλογή. Τα αποτελέσματα, που προκύπτουν από αυτό το δεύτερο στάδιο επιλογής, ανατρέπουν την συμβατική θεώρηση "επιλέγουμε τα καλύτερα από τις δύο κατηγορίες υλικών", που θα οδηγούσε σε επιλογή πολυμερούς για μείωση του κόστους και χαλκού για αύξηση της αγωγιμότητας. Στην συνέχεια, θα γίνει μια μελέτη για υβριδικό υλικό (σύνθετο) με πολυμερική μήτρα (φτηνή) και χαλύβδινη ενίσχυση (αγώγιμη). Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

61 Θα εξεταστούν δύο σχέδια: ένα με περιορισμό την αστοχία σε λυγισμό και ένα με περιορισμό την αστοχία σε πίεση. 6. Μελέτη για υβριδικό (σύνθετο) υλικό 6.1 Χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης Οι χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης- υψηλής αντοχής είναι μια κατηγορία κραμάτων μικρής περιεκτικότητας σε άνθρακα και περιέχουν κραματικά στοιχεία, όπως χαλκό, βανάδιο, νικέλιο και μολυβδαίνιο σε συνδιασμένες συγκεντρώσεις και παρουσιάζουν υψηλότερη αντοχή από τους καθαρούς χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Οι περισσότεροι είναι δυνατό να ενισχυθούν με θερμική κατεργασία και αποκτούν αντοχές στον εφελκυσμό μεγαλύτερες από 480 MPa. Επιπλέον, οι χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης είναι όλκιμοι, μορφοποιήσιμοι, και μηχανικά κατεργάσιμοι. Σε ένα συνηθισμένο ατμοσφαιρικό περιβάλλον, οι χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης και υψηλής αντοχής έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην τριβή, καλύτερη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι πιο ανθεκτικοί στην διάβρωση από τους κοινούς χάλυβες, τους οποίους και έχουν αντικαταστήσει σε πολλές εφαρμογές, όπου η δοκιμή σε αντοχή είναι ιδαίτερα κρίσιμη.για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις κατασκευής γεφυρών, πύργων, κολώνων υποστήριξης σε κτίρια μεγάλου ύψους, καθώς και στην κατασκευή ελατηρίων, εργαλείων, γραναζιών, σε μπιέλες, μαχαίρια και ψαλίδια,αλλά και σε δοχεία πίεσης. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

62 Εικόνα 6.1 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ειδική αντοχή - ειδική ακαμψία) όπου φαίνεται η σχετική θέση 3101 υλικών - οι χρωματισμένες περιοχές αντιστοιχούν σε χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης Στην εικόνα 6.1 φαίνεται ένα διάγραμμα ειδικής αντοχής (λόγος αντοχής προς κόστος ανά μονάδα όγκου) - ειδικής ακαμψίας (λόγος ακαμψίας προς κόστος ανά μονάδα όγκου). Οι χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης καταλαμβάνουν την περιοχή στο διάγραμμα με τις υψηλότερες τιμές (οι γκρίζες περιοχές με υψηλότερες τιμές ειδικής ακαμψίας αντιστοιχούν σε τσιμέντα). Αυτός είναι και ο λόγος, που οι χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης εμφανίζονται ως τα βέλτιστα υλικά κατά το δεύτερο στάδιο επιλογής (κεφάλαιο 5), όπου συνυπολογίζονται και οι δύο σχεδιαστικοί στόχοι, κόστους και ροής θερμότητας. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

63 6.2 Ιδιότητες Σύνθετου Το σύνθετο υλικό, που προτείνεται έχει δύο διαφορετικές γεωμετρίες ενίσχυσης, που αντιστοιχούν στους δύο βασικούς περιορισμούς. Στην εικόνα 6.2 (α) τα σύρματα ενίσχυσης του χάλυβα είναι παράλληλα με τον άξονα του σωλήνα, ώστε να βελτιστοποιούν την αντοχή σε λυγισμό, ενώ στην εικόνα 6.2 (β) τα χαλύβδινα σύρματα έχουν περιμετρική διάταξη, ώστε να ενισχύουν την αντοχή του σωλήνα στην πίεση του υγρού. (α) (β) Εικόνα 6.2 Διαφορετικές γεωμετρίες ενίσχυσης για αντοχή (α) σε λυγισμό και (β) σε πίεση Βάσει της γεωμετρίας της ενίσχυσης (όπου το ποσοστό κατ όγκο της ενίσχυσης συμβολίζεται με f ), οι σχέσεις που αφορούν τις ιδιότητες του σύνθετου υλικού είναι οι εξής: Για το σχεδιασμό που αφορά τον περιορισμό του λυγισμού : Ehyb E!U = f Er + (1 f ) Em E m Er! E = L f Em + (1 f ) Er, (6.1) Η παραπάνω σχέση εκφράζει το μέτρο του Young για το υβρίδιο και αποτελείται από δυο επιμέρους σχέσεις, που δηλώνουν το άνω E!U και το κάτω E! L όριο αντίστοιχα. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

64 Με τον όρο E m δηλώνεται το μέτρο ελαστικότητας για την μήτρα και στην προκειμένη περίπτωση είναι το μέτρο ελαστικότητας του PE, ενώ με τον όρο Er δηλώνεται το μέτρο του Young για την ενίσχυση και αυτό είναι το Εχάλυβα του χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης. Θα τοποθετηθούν οι μέσες τιμές των μέτρων ελαστικότητας τόσο του PE όσο και του χάλυβα. ( ) ( ) λ!λ L = λ r + 2λ m 2 f λ m λ r m λ r + 2λ m + f λ m λ r, (6.2) Σε αυτή τη σχέση, εκφράζεται το κάτω όριο της θερμικής αγωγιμότητας για το υβριδικό, με λ m λ r αντίστοιχα τα και να υποδηλώνουν τη θερμική αγωγιμότητα της μήτρας και της ενίσχυσης, που όπως έχει οριστεί, είναι τα λpe του πολυαιθυλενίου και λχάλυβα του χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης αντίστοιχα. Η παραπάνω σχέση υπολογίζεται για δύο τιμές του λ r (με λ r1 λ r2 = 34 W/m C, και = 55 W/m C) για την αγωγιμότητα του σύνθετου. C m ρ = f ( C m ρ) r + ( 1 f )( C m ρ) m (6.3) Εδώ, εκφράζεται η σχέση για το κόστος ανά μονάδα όγκου του σύνθετου με, αντίστοιχα, οι τιμές της μήτρας και της ενίσχυσης να αφορούν το PE και τον χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης, χωρίς όμως να χρησιμοποιείται η μέση τιμή της πυκνότητας του χάλυβα, αλλά και πάλι η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή της, όπως και στην σχέση (6.2). Δηλαδή, θα υπολογιστεί για δύο τιμές του (με = 7800 kg/ m 3 και = 7900 kg/ m 3 ) για την πυκνότητα του σύνθετου. ρ r ρ r1 ρ r2 Για τον περιορισμό στη σχεδίαση που αφορά την αντοχή στην πίεση, επιλύουμε και την παρακάτω σχέση: ( σ! f ) = f σ U ( f ) + 1 f r ( )( σ f ) m ( σ! f ) = σ L ( f ) 1+ 1 m f 16 1 f, (6.4) Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

65 ( σ f ) σ U f ( ) L Με αυτές τις σχέσεις θα βρεθούν τα άνω και κάτω όρια του ορίου διαρροής ( σ f ) σ m f ( ) r του σύνθετου τοποθετώντας στα και τις μέσες τιμές των ορίων διαρροής του PE και του χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης, αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές του πολυαιθυλενίου PE είναι: ΕPE = GPa ρpe = 950 kg/ m 3 σy PE = 23.5 MPa λpe = W/ m o C CmPE = 1.39 / kg Οι μέσες τιμές του χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης είναι: Εχάλυβα = 211 GPa ρχάλυβα = 7850 kg/ m 3 σy χάλυβα = 1150 MPa λχάλυβα = 44.5 W/ m o C Cmχάλυβα = / kg Στην συνέχεια, εξετάζεται η απόδοση του σύνθετου, βάσει των διαγραμμάτων που προέκυψαν στα δύο στάδια επιλογής που προηγήθηκαν στο κεφάλαιο 5. Επιλέγονται, ενδεικτικά, πέντε τιμές ποσοστού κατ όγκο για τον χάλυβα: 10%, 20%, 30%, 40% και 50%. Στην εικόνα 6.3 παρεμβάλλονται τα πέντε παραπάνω σύνθετα, σε διάγραμμα μέτρου του Young - κόστους ανά μονάδα όγκου. Η περιοχή, που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο σύνθετο για όλες τις δυνατές συστάσεις, περικλείεται από τις κόκκινες διακεκομμένες καμπύλες. Το μεγάλο εύρος της περιοχής του σύνθετου αντανακλά το εύρος του μέτρου ελαστικότητας, που αντιστοιχεί στους δύο ακραίους τρόπους φόρτισης (παράλληλα και κάθετα στις ράβδους ενίσχυσης). Λόγω του μειωμένου κόστους του σύνθετου σε σχέση με τον συμπαγή χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης, το άνω όριο της περιοχής εμφανίζεται πιο αποδοτικό με βάση το κριτηρίο επιλογής, με περιορισμό τον λυγισμό και στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους (που αντιπροσωπεύεται από την ευθεία στο διάγραμμα) από ό,τι ο χάλυβας. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

66 Αντίθετα, το κάτω όριο δίνει υλικό υποδεέστερο του PE ως προς το συγκεκριμένο κριτήριο, λόγω μεγαλύτερου κόστους. Η μικρή ενίσχυση του κάτω ορίου (βλ. σχέση 6.4) δεν επαρκεί ώστε να καλύψει την αύξηση του κόστους. Εικόνα 6.3 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρου του Young - κόστος ανά μονάδα όγκου) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Όταν ο στόχος είναι η μεγιστοποίηση της ροής θερμότητας μεταξύ υγρού και εδάφους (αποδίδεται γραφικά με το διάγραμμα της εικόνας 6.4), η αύξηση της περιεκτικότητας του σύνθετου σε χάλυβα οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης, αλλά ακόμη και περιεκτικότητα 50% υπολείπεται σημαντικά της απόδοσης ενός καθαρού μέταλλου (περίπου μισή για το άνω όριο του μέτρου του Young). Αυτό συμβαίνει, γιατί η θερμότητα διαδίδεται στην διεύθυνση του πάχους, δηλαδή, κάθετα στα μεταλλικά σύρματα, με αποτέλεσμα να μην εκμεταλλεύεται αποτελεσματικά την υψηλή τους αγωγιμότητα. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

67 Εικόνα 6.4 Διάγραμμα ιδιοτήτων (μέτρου του Young - θερμική αγωγιμότητα) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Η εικόνα που προκύπτει από την παρεμβολή των σύνθετων στα διαγράμματα επιλογής επαναλαμβάνεται και στην περίπτωση, που ο περιορισμός είναι η αντοχή σε πίεση. Στο διάγραμμα της εικόνας 6.5, το εύρος της αντοχής (που αντιστοιχεί στο εύρος αντοχής του ίδιου του χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης) δίνει υλικά με υψηλή απόδοση, εφόσον για την ενίσχυση επιλεχθούν χάλυβες υψηλής αντοχής, αλλά η απόδοση πέφτει χαμηλότερα από αυτή του PE για ενίσχυση με μαλακούς χάλυβες. Αντίστοιχα, στο διάγραμμα αντοχής - θερμικής αγωγιμότητας (εικόνα 6.6) η απόδοση του σύνθετου, έως περιεκτικότητας 50% σε χαλύβδινα σύρματα, δεν ξεπερνάει το μισό της απόδοσης των καθαρών μετάλλων. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

68 Εικόνα 6.5 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ορίου διαρροής - κόστος ανά μονάδα όγκου) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

69 Εικόνα 6.6 Διάγραμμα ιδιοτήτων (ορίου διαρροής - θερμική αγωγιμότητα) με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Παρά την χαμηλή αύξηση σε απόδοση που φαίνεται να προκύπτει από την χρήση ενός σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης βάσει των παραπάνω διαγραμμάτων ιδιοτήτων η εικόνα είναι ελλιπής και οδηγεί σε λανθασμένα συμπεράσματα, γιατί δεν λαμβάνεται υπόψη το ότι θα πρέπει να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα δύο σχεδιαστικοί στόχοι. Όπως εξηγήθηκε και στο κεφάλαιο 5, είναι πολύ σημαντικό, στην επιλογή υλικού, οι πολλαπλοί στόχοι να αντιμετωπίζονται ως μοναδικό πρόβλημα και να μην εξετάζονται μεμονωμένα. Βάσει της μεθοδολογίας της συνάρτησης ποινής, τα αποτελέσματα της χρήσης σύνθετου παρουσιάζονται πολύ διαφορετικά. Στις εικόνες 6.7 και 6.8 παρουσιάζονται τα διαγράμματα ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους, με περιορισμό τον λυγισμό και την αντοχή, αντίστοιχα. Η συνάρτηση ποινής, που αναπαριστάται με την καμπύλη, έχει σχεδιαστεί για σταθερά ανταλλαγής ίση με ένα, δηλαδή, δίνοντας ίση βαρύτητα στους δύο στόχους. Έχει τοποθετηθεί εφαπτομενικά της περιοχής του σύνθετου. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

70 Όπως φαίνεται και στις δύο εικόνες, η απόδοση του σύνθετου είναι πολύ καλύτερη από ό,τι θα μπορούσε να υποτεθεί, βάσει των προηγούμενων διαγραμμάτων και πολύ κοντά στην απόδοση των κραμάτων σιδήρου, δηλαδή, στα υλικά που είχαν προκριθεί στο κεφάλαιο 5. Εικόνα 6.7 Διάγραμμα ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι ο λυγισμός των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας του βάρους του εδάφους με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/

71 Εικόνα 6.8 Διάγραμμα ανηγμένης ροής θερμότητας - ανηγμένου κόστους όταν ο περιορισμός είναι η διαρροή των τοιχωμάτων του σωλήνα εξαιτίας της πίεσης του υγρού με την προσθήκη σύνθετου PE - χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης με διάφορες τιμές του ποσοστού κατ όγκο Η παραπάνω ανάλυση καταδεικνύει, ότι η αντικατάσταση των σωλήνων πολυαιθυλενίου από ένα υβριδικό υλικό με ενίσχυση συρμάτων χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης, είναι μια πολύ αποδοτική λύση στο πρόβλημα του χαμηλού ρυθμού ανταλλαγής θερμότητας διαμέσου του πολυμερικού τοιχώματος του σωλήνα. Ακόμη και για περιεκτικότητες 10% ή 20% κατ όγκο, εφόσον χρησιμοποιηθεί χάλυβας με υψηλές τιμές ορίου διαρροής, η απόδοση του σωλήνα ξεπερνάει όχι μόνο το πολυαιθυλένιο που αντικαθιστά, αλλά και πολλά μεταλλικά κράματα. Επιπλέον, η ενσωμάτωση μεταλλικών συρμάτων στο PE εξασφαλίζει το ότι θα προστατεύονται από την διάβρωση, και έτσι αποκτούν ένα χαρακτηριστικό, που οι μεταλλικοί σωλήνες μόνο με ακριβές επιστρώσεις, ανόδια ή ανοξείδωτη σύσταση, μπορούν να πετύχουν. Λαγκαδιανού Εριέττα-Άννα 511/