ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ, ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΔΡΑΣΕΩΝ ΣΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑΣ (ΕΥΣΕΔ-ΕΤΑΚ) ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ «ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ & ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ» ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2009» ΠΡΑΞΗ Ι:«Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας» Τίτλος Έργου: Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας Τεχνολογικής Αιχμής και Υψηλής Απόδοσης Ακρωνύμιο: «ΓΕΩΑΙΧΜΗ» Κωδικός Έργου : 09ΣΥΝ-32-648 Παραδοτέο 4.1 (Π4.1): Μελέτη σύγκρισης πειραματικών και υπολογιστικών μοντέλων Υπεύθυνος Φορέας Παραδοτέου: ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας (ΤΕΙ Χαλκίδας)
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν στην πρώτη Ενότητα Εργασίας και παρουσιάσθηκαν αναλυτικά στα αντίστοιχα παραδοτέα (Π1.1 και Π1.2) προσαρμόσθηκαν για να προσομοιώσουν τα συστήματα που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια του έργου. Σε αυτό το παραδοτέο παρουσιάζονται αποτελέσματα από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων του κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη και της ΓΑΘ με τις πειραματικές μετρήσεις που ελήφθησαν από τη γεωθερμική εγκατάσταση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια του έργου. Στο μοντέλο του κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη έγιναν αλλαγές με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του, οι οποίες και περιγράφονται λεπτομερώς. Το μοντέλο περιγράφει ρεαλιστικά το σύστημα αφού προβλέπει πολύ ικανοποιητικά την θερμοκρασία του νερού στην έξοδο του γεωεναλλάκτη. Στο μοντέλο της ΓΑΘ δεν πραγματοποιήθηκαν τροποποιήσεις στο αρχικό μοντέλο που παρουσιάσθηκε δεδομένου ότι έπειτα από ενδελεχή μελέτη του συστήματος διαπιστώθηκε ότι οι τρόποι αύξησης της απόδοσης της Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας είτε είχαν ληφθεί ήδη υπόψη στην προσομοίωση είτε ήταν κατασκευαστικά στοιχεία που δεν αποτελούσαν παραμέτρους της βελτιστοποίησης. 2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...2 1. ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ...4 1.1 Τροποποιήσεις στο αρχικό μοντέλο...4 1.2 Περιγραφή του μοντέλου...4 1.3 Είσοδοι κώδικα...10 1.4 Ενδεικτικά αποτελέσματα Σύγκριση με μετρήσεις...11 2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΑΘ...18 3
1. ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ 1.1 Τροποποιήσεις στο αρχικό μοντέλο Στο αρχικό μοντέλο που παρουσιάσθηκε στο παραδοτέο Π1.2 έγιναν οι ακόλουθες τροποποιήσεις με στόχο τη βελτίωση του: Το οριζόντιο πλέγμα έγινε με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων όγκων και με το στόχο της γρηγορότερης επίλυσης σε σχέση με το μέθοδο των πεπερασμένων όγκων που εφαρμόσθηκε στο αρχικό μοντέλο. Το οριζόντιο πλέγμα προσομοιώνει πλέον δύο U-tubes για να υπολογισθεί το UA. Οι συντελεστές ρcp μεταβάλλονται ανάλογα με το βάθος του γεωεναλλάκτη. Tο πλέγμα τροποποιήθηκε ώστε να παίρνει διαφορετικό υλικό στη γεώτρηση (borehole). Οι αρχικές θερμοκρασίες του υπεδάφους υπολογίζονται με curve fitting των θερμοκρασιών που λαμβάνονται από τις μετρήσεις στη γεωθερμική εγκατάσταση (πριν τη λειτουργία της Γεωθερμικής Α/Θ). Για το δισδιάστατο πολικό πλέγμα στο matlab τροποποιήθηκε η διακριτοποίηση. 1.2 Περιγραφή του μοντέλου Το μοντέλο προσομοιώνει το μεταβατικό φαινόμενο του κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη τύπου U-tube. Επιλύονται οι εξισώσεις του μονοδιάστατου 1D πλέγματος του σωλήνα και οι εξισώσεις του δισδιάστατου πολικού πλέγματος του εδάφους έτσι ώστε να βρεθούν οι θερμοκρασίες στους κόμβους σε κάθε χρονικό βήμα. Για κάθε χρονικό βήμα ο αλγόριθμος λύνει διαδοχικά δύο εξισώσεις. Η πρώτη υπολογίζει τις θερμοκρασίες κατά μήκος του σωλήνα του εναλλάκτη, πρώτα στον κλάδο εισαγωγής του νερού και μετά στον κλάδο απαγωγής. Για την επίλυση της, θεωρούνται γνωστές οι θερμοκρασίες στη στήλη πλέγματος (του 4
υπεδάφους) που γειτονεύει με τον εναλλάκτη και η θερμοκρασία του υγρού μέσου στην είσοδο του εναλλάκτη. Η δεύτερη εξίσωση επιλύεται ώστε να βρεθεί η μήτρα των θερμοκρασιών των κόμβων του πλέγματος, γνωρίζοντας αυτή για κάθε προηγούμενη χρονική στιγμή. Πριν την επίλυση αυτής της εξίσωσης οι θερμοκρασίες στους κόμβους που αναπαριστούν τον εναλλάκτη, ανανεώνονται παίρνοντας τη μέση τιμή της θερμοκρασίας του κλάδου απαγωγής και της θερμοκρασίας του κλάδου επιστροφής (στην επιφάνεια εξωτερικά του πλαστικού σωλήνα) στον κάθε ένα από τους κόμβους αυτούς. Με τον τρόπο αυτό προσομοιώνεται η μεταφορά θερμότητας μεταξύ εναλλάκτη και εδάφους κατά το μεταβατικό φαινόμενο. Εικόνα 1: Για την δεύτερη εξίσωση γίνεται η παραδοχή ότι οι κλάδοι του σωλήνα του εναλλάκτη βρίσκονται πάνω στη στήλη πλέγματος του εναλλάκτη, καθώς η απόσταση που βρίσκεται η γειτονική στήλη πλέγματος είναι μεγάλη σε σχέση με την ακτίνα της γεώτρησης. Η εξίσωση που επιλύει τις θερμοκρασίες στον εναλλάκτη θεωρεί ότι υπάρχει θερμική ροή μεταξύ των δύο κλάδων του εναλλάκτη. Στη διακριτοποιημένη της μορφή, για τον κλάδο εισαγωγής, γίνεται: 5
και για τον κλάδο απαγωγής υγρού μέσου είναι: όπου είναι η θερμοκρασία του υγρού μέσου του κλάδου απαγωγής στο σημείο/κόμβο σε βάθος z, είναι η θερμοκρασία στον γειτονικό κόμβο του πλέγματος, είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του υγρού μέσου και η παροχή του υγρού μέσου στον εναλλάκτη. Το είναι θερμική αντίσταση που συμπεριλαμβάνει την αντίσταση λόγο συναγωγής μεταξύ του υγρού και του εσωτερικού τοιχώματος του σωλήνα εισαγωγής, την αντίσταση λόγω αγωγής του τοιχώματος του σωλήνα και την αντίσταση λόγω αγωγής από το εξωτερικό τοίχωμα του σωλήνα ως τον γειτονικό κόμβο του πλέγματος που βρίσκεται στη θέση. Ο όρος είναι η αντίστοιχη θερμική αντίσταση για τον σωλήνα απαγωγής, ενώ 1/UA o-i (Z) είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ των δύο κλάδων του εναλλάκτη (δηλαδή μεταξύ του σωλήνα εισαγωγής και του σωλήνα απαγωγής). Για κάθε χρονικό βήμα αυτές οι δύο εξισώσεις λύνονται επαναληπτικά μέχρι να σταθεροποιηθεί η τιμή της λύσης. Η δεύτερη εξίσωση είναι η: Όπου (r, z) είναι η θέση στο πλέγμα, κ(z) ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του εδάφους (εξαρτώμενος από το βάθος z), ρ η πυκνότητα του εδάφους, C p_ground η ειδική θερμοχωρητικότητα του εδάφους, Τ είναι η θερμοκρασία και t ο χρόνος. 6
Για τον υπολογισμό των UA g-o, UA g-i και UA o-i εφαρμόζονται τα ακόλουθα. Όπως είναι γνωστό, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας q υπολογίζεται από την εξής σχέση: q = U Α (T o - T i ) όπου U είναι ο συντελεστής αγωγιμότητας σε W/(m 2 K), Α η επιφάνεια σε m 2, Τ i η θερμοκρασία του κλάδου εισόδου σε συγκεκριμένο βάθος και Τ o η θερμοκρασία του κλάδου εξόδου στο ίδιο βάθος. Στο εξής το γινόμενο U A θα το ονομάζουμε μεταβλητή UA. Την μεταβλητή αυτή την υπολογίζουμε για κάθε βάθος, όπου αλλάζουν οι ιδιότητες του εδάφους, χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα επίλυσης πεπερασμένων όγκων. Για το λόγο αυτό έχουμε δημιουργήσει ένα δισδιάστατο πλέγμα το οποίο απεικονίζει την τομή του γεωεναλλάκτη και του υπεδάφους (εικόνα 1). Στο πλέγμα αυτό θέτουμε ως συνοριακές συνθήκες τη θερμοκρασία Τ g του υπεδάφους σε απόσταση r και τις θερμοκρασίες T o και Τ i του ρευστού των δύο σωλήνων στο συγκεκριμένο βάθος. Επιπλέον δίνουμε ως δεδομένα τον συντελεστή συναγωγής h μεταξύ του ρευστού και του σωλήνα, τον συντελεστή αγωγιμότητας και το πάχος του σωλήνα καθώς και τον συντελεστή αγωγιμότητας του εδάφους. Το πρόγραμμα ANSYS Fluent υπολογίζει τον ρυθμό μετάδοσης θερμότητας q g που εισέρχεται στην κυλινδρική επιφάνεια του υπεδάφους που ορίζει ο κύκλος ακτίνας r και τους ρυθμούς μετάδοσης θερμότητας q i και q o που εισέρχονται αντίστοιχα στους σωλήνες εισόδου και εξόδου του γεωεναλλάκτη στο συγκεκριμένο βάθος. 7
Εικόνα 2: Το δισδιάστατο πλέγμα στο πρόγραμμα Fluent. Έχοντας ως δεδομένα τα q g, q i και q o μπορούμε να λύσουμε το παρακάτω σύστημα εξισώσεων για να βρούμε τις μεταβλητές UA. q q g i UA = q = q g-i g-o g-i + q + q = UA o-i g-ο g-i = UA = UA g-o g-i (T (T g g -T -T i o ) + UA ) + UA o-i g-i (T -T ) o g (T -T ) i i Όπου q g-o είναι η ροή θερμότητας σε Watt μεταξύ της επιφάνειας του υπεδάφους σε ακτίνα r και του σωλήνα εξόδου, q g-i είναι η ροή θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας του υπεδάφους και του σωλήνα εισόδου, και q o-i η ροή θερμότητας μεταξύ των δύο σωλήνων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3. Η τρίτη εξίσωση αποτελεί παραδοχή, η οποία ισχύει όταν το υλικό και οι διαστάσεις της σωλήνας εξόδου και της σωλήνας εισόδου είναι ίδιες. Στον αλγόριθμο του Matlab χρησιμοποιούμε αυτές τις τρεις μεταβλητές UA για να υπολογίζουμε κάθε φορά τα q i και q o. 8
Εικόνα 3: Ροές θερμότητας. Οι μεταβλητές UA εξαρτώνται μόνο από τις ιδιότητες του υπεδάφους, το υλικό και τη γεωμετρία του γεωεναλλάκτη καθώς και το συντελεστή συναγωγής μεταξύ του ρευστού και του γεωεναλλάκτη. Πράγματι, αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία Τ g που χρησιμοποιούμε ως συνοριακή συνθήκη κατά 5 C, οι μεταβλητές UA αλλάζουν μόλις κατά 0,005%. Μικρότερες αλλαγές παρατηρούμε αν αλλάξουμε τις άλλες δύο θερμοκρασίες. Τέλος, οι αρχικές θερμοκρασίες του εδάφους υπολογίζονται χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Labs που αναφέρεται στην ΤΟΤΕΕ-20701-2-2010. Οι παράμετροι αυτής της εξίσωσης φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. 9
Πίνακας 1: Οι παράμετροι της εξίσωσης του Labs Σε αυτήν την εξίσωση προσθέτουμε και την αύξηση του ενός βαθμού Celsius κάθε 33m, καθώς χρειαζόμαστε τον υπολογισμό της θερμοκρασίας και σε μεγάλα βάθη (δηλαδή στο τέλος της εξίσωσης προστέθηκε ο όρος +Ζ/33, όπου Ζ το βάθος σε μέτρα). Η εξίσωση αυτή ισχύει για ομοιόμορφο έδαφος, για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούμε προσεγγιστικά μία μέση τιμή του συντελεστή θερμικής διάχυσης του εδάφους. Κατά τις προσομοιώσεις, θεωρώντας συγκεκριμένη παροχή στον γεωεναλλάκτη υπολογίζεται για πόσες ημέρες συνεχόμενης λειτουργίας μπορεί να δίνει την απαιτούμενη ισχύ και θερμοκρασία στην έξοδο. 1.3 Είσοδοι κώδικα Οι απαιτούμενοι είσοδοι του κώδικα είναι: Θερμοκρασίες: Η θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους. (και η αρχική θερμοκρασία στο υπέδαφος σε σχέση με το βάθος). Η θερμοκρασία του υγρού μέσου στην είσοδο του εναλλάκτη. Θερμικές ιδιότητες: Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του εδάφους σε σχέση με το βάθος. Η πυκνότητα του εδάφους. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του εδάφους. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού πλήρωσης της γεώτρησης - άμμος με νερό. Η πυκνότητα του υλικού πλήρωσης της γεώτρησης - άμμος με νερό. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού πλήρωσης της γεώτρησης - άμμος με νερό. 10
Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού πλήρωσης της γεώτρησης - τσιμεντένεμα. Η πυκνότητα του υλικού πλήρωσης της γεώτρησης - τσιμεντένεμα. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού της γεώτρησης - τσιμεντένεμα. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του σωλήνα. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού. Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ του υγρού μέσου και του σωλήνα. Γεωμετρικές παράμετροι: Εσωτερική ακτίνα του σωλήνα. Εξωτερική ακτίνα του σωλήνα. Απόσταση κέντρων σωλήνων Ακτίνα γεώτρησης Μήκος του εναλλάκτη. Το μέγεθος του πλέγματος και το χωρικό και χρονικό βήμα της διακριτοποίησης. Παράμετροι ροής υγρού μέσου: Η παροχή του νερού. 1.4 Ενδεικτικά αποτελέσματα Σύγκριση με μετρήσεις Για την σύγκριση με τις μετρήσεις που έγιναν για την Γεωθερμική Α.Θ. των 15kW σε πραγματική εφαρμογή στον υπολογιστικό κώδικα χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές των Πινάκων 2α,β. Η παροχή του νερού θεωρήθηκε ίση με 0.4kg/s. Πίνακας 2α: Τιμές ιδιοτήτων που εφαρμόσθηκαν για τη σύγκριση με τις μετρήσεις Βάθος Πυκνότητα εδάφους Ειδική θερμοχωρητικότητα εδάφους Πορώδες εδάφους ρ*cp Θερμική αγωγιμότητα εδάφους m Kg/m3 J/(kg*K) W/(m*K) 0-42 2226,6 965 0,30 2148669 1,76 42-70 2138,99 1001 0,35 2141128,99 1,55 70-80 2577,06 870 0,10 2242042,2 2,76 11
Πίνακας 2β: Τιμές ιδιοτήτων που εφαρμόσθηκαν για τη σύγκριση με τις μετρήσεις Βάθος m Yλικό γεώτρησης Θερμική αγωγιμότητα W/(m*K) 0-42 μπετονίτης 1,70 42-70 άμμος με νερό 3,00 70-80 άμμος με νερό 3,00 Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η προβλεπόμενη μεταβολή της θερμοκρασίας στον κλάδο εισαγωγής και στον κλάδο απαγωγής και καθώς και η μέση τιμή τους για 6 ώρες λειτουργία το 24ωρο. Η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται λόγω της μετάδοσης θερμότητας από το έδαφος (βλ. Παραδοτέο Π.1.2). 10 Ti (blue), To (red), (Ti+To)/2 (black), [in C] 9.5 9 8.5 8 7.5 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 DEPTH [in m] Σχήμα 1: Μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού στον κλάδο εισαγωγής, στον κλάδο απαγωγής και μέση τιμή αυτών - 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η προβλεπόμενη μεταβολή της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα μήκους στο γεωεναλλάκτη για 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο. Η θερμότητα αυξάνεται στα πρώτα 20m ενώ στη συνέχεια ελαττώνεται. 12
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η χρονική μεταβολή της συνολικής θερμότητας που μεταφέρεται στο γεωεναλλάκτη για 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο. Στην περίπτωση που το σύστημα λειτουργεί διακοπτόμενα τότε οι αντίστοιχες μέρες που ο γεωεναλλάκτης μπορεί να παρέχει την επιθυμητή ισχύ και θερμοκρασία αυξάνονται. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά τη διακοπή της λειτουργίας το έδαφος τείνει να αποκτήσει τη αρχική θερμοκρασία πριν τη λειτουργία του συστήματος. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται η χρονική μεταβολή της θερμοκρασίας στην έξοδο του γεωεναλλάκτη για 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο. Όπως αναμένεται στα διαστήματα διακοπή της λειτουργίας η θερμοκρασία αυξάνει αφού δεν απορροφάται θερμότητα. 66 q(j) [in W/m] 64 62 60 58 56 54 52 0 10 20 30 40 50 60 70 80 DEPTH [in m] Σχήμα 2: Μεταβολή της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα μήκους στο γεωεναλλάκτη - 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο 13
6000 q total [in W] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 5 10 15 20 25 30 time [in days] Σχήμα 3: Χρονική μεταβολή της συνολικής θερμότητας που μεταφέρεται στο γεωεναλλάκτη - 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο 14.5 Tout [in C] 14 13.5 13 12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 0 5 10 15 20 25 30 time [in days] Σχήμα 4: Χρονική μεταβολή της θερμοκρασίας στην έξοδο του γεωεναλλάκτη - 6 ώρες λειτουργίας το 24ωρο 14
Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας στον κλάδο εισαγωγής και στον κλάδο απαγωγής και καθώς και η μέση τιμή τους για πέντε ημέρες συνεχόμενης λειτουργίας. Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα μήκους στο γεωεναλλάκτη για πέντε ημέρες συνεχόμενης λειτουργίας. Όπως είναι αναμενόμενο η συνεχής λειτουργία της εγκατάστασης έχει σαν αποτέλεσμα και τη μείωση της θερμοκρασίας στην έξοδο του γεωεναλλάκτη και τη μείωση της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα μήκους του γεωεναλλάκτη. Στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται η χρονική μεταβολή της συνολικής θερμότητας που μεταφέρεται στο γεωεναλλάκτη για 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία. Η συνολική θερμότητα που μεταφέρεται μειώνεται λόγω της συνεχόμενης λειτουργίας. Τέλος, στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού στην έξοδο του γεωεναλλάκτη για 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία. Η θερμοκρασία λαμβάνει αρχικά την τιμή των 10.1 o C και μειώνεται όπως είναι αναμενόμενο με τις μέρες συνεχόμενης λειτουργίας. Η τιμή αυτή είναι σε ικανοποιητική συμφωνία με τυπικές μετρήσεις που έχουν ληφθεί. 9.5 Ti (blue), To (red), (Ti+To)/2 (black), [in C] 9 8.5 8 7.5 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 DEPTH [in m] Σχήμα 5: Μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού στον κλάδο εισαγωγής, στον κλάδο απαγωγής και μέση τιμή αυτών 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία 15
58 q(j) [in W/m] 56 54 52 50 48 46 0 10 20 30 40 50 60 70 80 DEPTH [in m] Σχήμα 6: Μεταβολή της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα μήκους στο γεωεναλλάκτη 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία 5200 q total [in W] 5000 4800 4600 4400 4200 4000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 time [in days] Σχήμα 7: Χρονική μεταβολή της συνολικής θερμότητας που μεταφέρεται στο γεωεναλλάκτη 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία 16
10.3 Tout [in C] 10.2 10.1 10 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 9.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 time [in days] Σχήμα 8: Μεταβολή της θερμοκρασίας του στην έξοδο του γεωεναλλάκτη 5 ημέρες συνεχόμενη λειτουργία 17
2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΑΘ Ο στόχος του έργου «ΓΕΩΑΙΧΜΗ» ήταν να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί η πρώτη «Ελληνική» γεωθερμική αντλία θερμότητας (ΓΑΘ), με βελτιστοποιημένη λειτουργία σε σχέση με τις αντλίες θερμότητας που κυκλοφορούν μέχρι σήμερα στη διεθνή αγορά. Η παραπάνω διαδικασία ακολουθήθηκε για έξι (6) προ-πρωτότυπα ΓΑΘ με βελτιστοποιημένη λειτουργία με τις παρακάτω τιμές ισχύος ως εξής: 15, 20, 30, 40, 60 και 80kW. Στο πλαίσιο αυτό πρώτα από όλα πραγματοποιήθηκε προσομοίωση για την κάθε ΓΑΘ και στη συνέχεια ο σχεδιασμός της βέλτιστης ΓΑΘ για την κάθε τιμή ισχύος αντιστοίχως, με βάση το αρχικό μοντέλο που παρουσιάσθηκε στο παραδοτέο Π1.1. Πιο συγκεκριμένα, για τη βελτιστοποίηση της ΓΑΘ λήφθηκαν υπόψη οι εξής παραδοχές: Εναλλάκτων θερμότητας - ατμοποιητής και συμπυκνωτής: Μοντελοποίηση στη διαδικασία της προσομοίωσης. Συμπιεστής: «μαύρο κουτί» στη διαδικασία της προσομοίωσης. Οργανικό μέσο: το R410A επιλέχθηκε στην προσομοίωση. Στη συνέχεια δεν πραγματοποιήθηκαν τροποποιήσεις στο αρχικό μοντέλο που παρουσιάσθηκε στο παραδοτέο Π1.1 δεδομένου ότι έπειτα από ενδελεχή μελέτη του συστήματος διαπιστώθηκε ότι οι τρόποι αύξησης της απόδοσης της Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας είναι οι ακόλουθοι: Επιλογή του κατάλληλου ψυκτικού μέσου (R410A). Τοποθέτηση ηλεκτρονικής εκτονωτικής βαλβίδας. Εναλλαγή από ψύξη σε θέρμανση με αλλαγή των συνδέσεων του νερού και όχι με αλλαγή του ψυκτικού κύκλου. Τοποθέτηση δύο συμπιεστών σε σύνδεση Tandem στις ΓΑΘ ισχύος 60 και 80kW. Τα παραπάνω είτε είχαν ληφθεί ήδη υπόψη στην προσομοίωση (π.χ. ψυκτικό μέσο) είτε ήταν κατασκευαστικά στοιχεία που δεν αποτελούσαν παραμέτρους της βελτιστοποίησης (π.χ. ηλεκτρονική βαλβίδα). 18
Σημειώνεται ότι στην κατασκευή του πρωτοτύπων ΓΑΘ αυξήθηκε κατά μικρό ποσοστό η επιφάνεια των εναλλακτών, λόγω μη ύπαρξης ετοιμοπαράδοτων εναλλακτών στην αγορά, με αποτέλεσμα μικρή αύξηση του COP. Με βάση τα παραπάνω, συγκρίνονται τα αποτελέσματα με τις μετρήσεις που έγιναν για την Γεωθερμική Α.Θ. των 15kW σε πραγματική εφαρμογή με τα αντίστοιχα της βελτιστοποίησης της ΓΑΘ των 15kW. Πιο συγκεκριμένα, ο βαθμός απόδοσης της ΓΑΘ για εφαρμογή ενδοδαπέδιου συστήματος (Τ incond=30 0 C, Τ out-cond =35 0 C) με βάση τις βελτιστοποιήσεις είναι COP=6,6 ενώ με βάση την πραγματική εφαρμογή μετρήθηκε COP=6, το οποίο είναι απολύτως αποδεκτό. 19
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of models and systems Applied Energy 2010, H. Yang, P. Cui, Z. Fang. 2. The importance of axial effects for borehole design of geothermal heat-pump systems Renewable Energy 2010, D. Marcotte, P. Pasquier, F. Sheriff, M. Bernier. 3. Finite line-source model for borehole heat exchangers: effect of vertical temperature variations Geothermics 2009, Tatyana V. Bandosa, Álvaro Monterob, Esther Fernándeza, Juan Luis G. Santandera, José María Isidroa, Jezabel Péreza, Pedro J. Fernández de Córdobaa, Javier F. Urchueguíab. 4. Computational fluid mechanics and heat transfer, Dale A. Anderson, John C. Tannehill, Richard H. Pletcher, Hemisphere Publishing Corporation 1984. 5. Αριθμητικές υπολογιστικές μέθοδοι στην επιστήμη και τη μηχανική C. Pozrikidis, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ 2006. 20