ΑΒΑΘΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ Αντώνης ημητρίου ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Αναπτυξιακή υτικής Μακεδονίας Α.Ε (ΑΝΚΟ) Κοζάνη, 24 Απριλίου 2017
ΙΑΚΡΙΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΕ ΙΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ T>90 o C ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ 25 o C <T<90 o C ΜΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΖΟΜΕΝΑ ΩΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ T<25 o C(ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΒΑΘΟΥΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ)
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΤΟ ΥΠΕ ΑΦΟΣ ΑΒΑΘΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΚΑΙ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΜΦΑΝΙΖΟΝΤΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΥΝΑΓΩΓΗ ΕΠΑΦΗ Ηλιακή ακτινοβολία Θερμική ακτινοβολία Αγωγή θερμότητας στον υπεδαφικό σχηματισμό Γεωθερμική Ροή Ζώνη επίδρασης των συνθηκών περιβάλλοντος (θερμοκρασίας και ηλιακής ακτινοβολίας) 0-30m
ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ-ΑΒΑΘΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Προσεγγιστικές αλλά ακριβείς εκφράσεις των αναπτυσσόμενων θερμοκρασιών σεβάθος
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ ΙΑΚΡΙΣΗ 1. Οριζόντιος Γεωεναλλάκτης Κλειστού Βρόγχου (υπεδάφιο κύκλωμα) 2. Οριζόντιος ή κάθετος Γεωεναλλάκτης Κλειστού Βρόγχου τύπου Σπείρας 3. Κάθετος Γεωνελλάκτης Κλειστού Βρόγχου (Γεωτρήσεις)
ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΣ ΚΛΕΙΣΤΟΣ ΒΡΟΓΧΟΣ Στα συστήματα οριζόντιου βρόγχου, οι σωλήνες γεωεναλλάκτης, τοποθετούνται στο έδαφος σε οριζόντια διάταξη μέσα σε χαντάκια, σε βάθος μεταξύ 0,6 2,0m, το οποίο εξαρτάται από τις κλιματολογικές και γεωλογικές συνθήκες του πεδίου εγκατάστασης. Πλεονεκτήματα Οριζόντιου Κλειστού Βρόγχου Μικρότερο Αρχικό Κόστος επένδυσης συγκριτικά με τα κάθετα συστήματα. εν χρειάζεται τόσο εξειδίκευση στην εγκατάσταση. Μικρότερη αβεβαιότητα για τη λειτουργία του συστήματος, αλλά να επισημανθεί πως λόγω του μικρού βάθους υπάρχει διακύμανση στις υπεδάφιες συνθήκες (θερμοκρασία). Μειονεκτήματα Οριζόντιου Κλειστού Βρόγχου Απαιτείται μεγάλη επιφάνεια εγκατάστασης. Λόγω της εποχιακής διακύμανσης της υπεδάφιας θερμοκρασίας σε μικρό βάθος, προκύπτει μειωμένος βαθμός απόδοσης συνολικά για το σύστημα. Χαμηλή εκμετάλλευση ενεργειακού δυναμικού.
ΚΑΘΕΤΟΣ ΚΛΕΙΣΤΟΣ ΒΡΟΓΧΟΣ - ΓΕΩΤΡΗΣΕΙΣ Τα συστήματα κλειστού βρόγχου αποτελούνται από ένα κλειστό κύκλωμα μέσα στο οποίο κυκλοφορεί θερμομεταφορικό ρευστό το οποίο είναι συνήθως διάλυμα νερού - προπυλενογλυκόλης (10-25%). Το κύκλωμα αυτό αποτελεί τον γεωεναλλάκτη ο οποίος αξιοποιεί το θερμικό δυναμικό του εδάφους. Τα συστήματα κάθετης διάταξης αποτελούνται συνήθως από ένα ζεύγος σωληνώσεων μικρής διαμέτρου από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (PE100 ή PE-Xa). Οι σωληνώσεις μπορεί να τοποθετηθούν σε μία ή περισσότερες γεωτρήσεις. Το εσωτερικών των γεωτρήσεων πληρώνεται στη συνέχεια με στερεό-grout (μπετονίτης και SiOάμμος) με υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Τα ζεύγη των σωληνώσεων συνενώνονται στο κατώτερο τμήμα τους με θερμοκόλληση σχηματίζοντας αγωγό σχήματος U. Το βάθος των γεωτρήσεων συνήθως κυμαίνεται από 80m έως 120m
ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΘΕΤΟΥ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΜΙΚΡΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΙΣΧΥOΣ <30KW Για μικρότερα συστήματα, όπως σε σπίτια, ο σχεδιασμός γίνεται με τη χρήση πινάκων ή νομογραφημάτων. Για μεγαλύτερα συστήματα, απαιτούνται πιο αναλυτικοί υπολογισμοί ή ακόμη και αριθμητική μοντελοποίηση. Σε τέτοια συστήματα που χρησιμοποιούνται μόνο για θέρμανση ο σχεδιασμός μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τις τιμές ειδικής θερμότητας άντλησης (σε W/m) Ισχύει για : 1)Κάλυψη MONO Αναγκών Θέρμανσης 2)Γεώτρηση μέχρι 100m 3)6 μέτρα απόσταση γεωτρήσεων 4) ιπλό -U
ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΘΕΤΟΥ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΜΕΓΑΛΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΙΣΧΥOΣ >30KW Συνήθως, είναι απαραίτητος ο υπολογισμός των θερμοκρασιών που προκύπτουν από το δεδομένο θερμικό φορτίο, κατά τη διάρκεια ενός έτους, για κάθε μεμονωμένη περίπτωση και κατά τη σχεδιασμένη διάρκεια λειτουργίας της εγκατάστασης. Απαιτείται ανάλυση του εδάφους (θερμική αγωγιμότητα, θερμική αντίσταση, πυκνότητα κλπ) Γενικά, ο σχεδιασμός κατακόρυφων γεωθερμικών συστημάτων εξαρτάται από πολλές παραμέτρους όπως τα φορτία θέρμανσης/ψύξης των κτηρίων που θα καλύψουν τις ανάγκες τους, τα χαρακτηριστικά της αντλίας θερμότητας, τις παραμέτρους του εδάφους και παραμέτρους που αφορούν στο γεωεναλλάκτη (σωλήνες, ένεμα, φορέας θερμότητας). Αρκετοί βασιζόμενοι σε Πρότυπα (VDI, ASHRAE) προτείνουν μεθόδους υπολογισμού του μήκους του σωλήνα, που μετασχηματίζουν την εξίσωση μόνιμης κατάστασης έτσι ώστε να δώσει το μεταβλητό ρυθμό μετάδοσης ενός γεωεναλλάκτη. Η θερμική αντίσταση του εδάφους ανά μονάδα μήκους υπολογίζεται ως συνάρτηση του χρόνου που αντιστοιχεί στο χρόνο για ένα ιδιαίτερο παλμό θερμότητας. Επίσης, ένας όρος προστίθεται για να συμπεριλάβει τη θερμική αντίσταση του τοιχώματος του σωλήνα και των διεπιφανειών ανάμεσα στο σωλήνα και ρευστό και το σωλήνα και το έδαφος. Λαμβάνονται επίσης διορθωτικοί συντελεστές για EER και COP Χρήση υπολογιστικών πακέτων ή μοντελοποίηση βασισμένη σε αποδεκτά πρότυπα. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΨΥΚΤΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ Όλα τα πρότυπα υπολογισμού θερμικών απωλειών είναι αποδεκτά (DIN, EN κλπ) Όλα τα πρότυπα υπολογισμού ψυκτικών φορτίων είναι αποδεκτά (ΑSHRAE, Carrier κλπ) Υπολογισμός της Ετήσιας Κατανομής Φορτίου Ετήσιο Ενεργειακό Ισοζύγιο (Θερμικά Κέρδη κλπ)
ΕΙ Η ΚΑΘΕΤΟΥ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗ 1. Μονό U Πρότυπο για 30 χρόνια Απλότητα Σχεδιασμού Μικρή ικανότητα μεταφοράς θερμότητας (σε στρωτή ροή) 2. ιπλό U Μεγαλύτερη επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας Μειωμένη θερμική Αντίσταση Μικρός συντελεστής μεταφοράς με συναγωγή περιοχές κοντά στην στρωτή ροή όχι και τόσο κρίσιμες Οι πιο σημαντικές παράμετροι που επηρεάζουν τη θερμική αντίσταση της γεώτρησης είναι η παροχή του ρευστού, το υλικό του σωλήνα, ο αριθμός των σωλήνων, η θέση του σωλήνα και η θερμική αγωγιμότητα του υλικού πλήρωσης 3. Ομοαξονικός Γεωεναλλάκτης Σωλήνας εντός σωλήνα Ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ εισερχόμενη και ανερχόμενη ροή Κίνδυνος για θερμικό βραχυκύκλωμα
ΥΛΙΚΟ ΠΛΗΡΩΣΗΣ ΕΝΕΜΑ-GROUT Μεταφορά θερμότητας από το υπέδαφος στο εργαζόμενο ρευστό (θερμοαγώγιμο υλικό) Σφράγιση της γεώτρησης με την επιφάνεια αποτροπή εισόδου ρύπων καθως και εισχώρησης υδάτων από υδροφόρο Για αιωρήματα μπεντονίτη/τσιμέντο/άμμος/νερό η αναλογία μπεντονίτη και τσιμέντου πρέπει να είναι προσεγγιστικά 10% και της άμμου προσεγγιστικά 30%. Υψηλά ποσοστά τσιμέντου πρέπει να αποφεύγονται έτσι ώστε το ένεμα να είναι ελαφρά πλαστικό και να μην εμποδίζεται η θερμική διαστολή του γεωεναλλάκτη. Η προσθήκη της χαλαζιακής άμμου μπορεί να προσδώσει μεγαλύτερη αντοχή στη φθορά. Στη θέση του μπεντονίτη θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν άλλοι διογκούμενοι άργιλοι. Ενδεικτικά : Τσιμεντοειδή ενέματα Ενέματα Μπετονίτη
ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΩΛΗΝΩΣΕΩΝ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Οι συστάσεις της ASHRAE είναι να επιδιώκεται αριθμός Reynolds 2500-3000 για ενεργειακά φορτία σχεδιασμού. Αυτό είναι ένας κανόνας που εκφράζει έναν εύλογο συμβιβασμό μεταξύ της απόδοσης της αντλίας θερμότητας και της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην αντλία κυκλοφορίας. Στρωτή Ροή Αύξηση θερμικής αντίστασης κίνδυνος θερμικού βραχυκυκλώματος Μειωμένος COP Tυρβώδης Ροή Μειωμένη θερμική αντίσταση Αύξηση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην αντλία κυκλοφορίας. Ενδεικτικές ταχύτητες Κατακόρυφα τμήματα γεωεναλλάκτη <1m/s Οριζόντιοι Συλλεκτήριοι <1.5m/s Υδραυλική επίλυση βασισμένη σε αποδεκτά πρότυπα Ενδεικτικές τιμές πτώσης πίεσης : Τοπικές απώλειες πίεσης δικτύου γεωτρήσεων : 0,005bar Τοπικές απώλειες πίεσης ΓΑΘ : 0,3bar Τοπικές απώλειες πίεσης λοιπών εξαρτημάτων : 0,2bar Γραμμικές απώλειες πίεσης γεωναλλάκτη : 0,04bar Γραμμικές απώλειες πίεσης στο υπόλοιπο δίκτυο : 0,008bar
ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΩΛΗΝΩΣΕΩΝ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΚΩΝ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΙΑΛΥΜΑΤΟΣ ΓΛΥΚΟΛΗΣ
ΧΡΗΣΙΜΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΤΆ ΤΗΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ οκιμές Ελέγχου Ροής και Στεγανότητας Μετρήσεις πιέσεων και καταγραφή αυτών Θερμιδομέτρηση (Κύκλωμα Γεωεναλλακτη Κύκλωμα Καταναλώσεων) Αναλυτής Ενέργειας στον Υποπίνακα του Μηχανοστασίου Παρακολούθηση συγκέντρωσης γλυκόλης στο διάλυμα Καταγραφή Χρόνου Λειτουργίας
ΧΡΗΣΙΜΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ένας κανόνας είναι πως θα πρέπει μόνο μία θερμική ζώνη να καλύπτεται από μία αντλία θερμότητας (σε περίπτωση μεγάλων κτιριακών εγκαταστάσεων). Μικρότερες μονάδες έχουν μεγαλύτερες αποδόσεις στις ίδιες συνθήκες συγκριτικά με μεγαλύτερα μεγέθη. Ίσως η επιλογή μεγαλύτερης μονάδας να είναι βέλτιστη οικονομικά, όμως με κριτήρια ενεργειακής απόδοσης δεν προκρίνεται μία τέτοια επιλογή. Κατά τον υπολογισμό των θερμικών φορτίων, θα πρέπει να προβλεφθεί και η θερμική ισχύς που απαιτείται, τα πρώτα χρόνια λειτουργίας, από τυχόν υγρασία στα δομικά στοιχεία του κτηρίου κατά την κατασκευή. Το συγκεκριμένο θερμικό φορτίο λόγω υγρασίας, θα πρέπει να καλύπτεται από εφεδρική πηγή θερμότητας και όχι από το σύστημα γεωθερμίας Θα πρέπει η γεωθερμική αντλία θερμότητας να καλύπτει τις ελάχιστες απαιτήσεις ENERGY STAR EERs/COPs (Ενδεικτικά για κλειστά συστήματα EER : 14.1 και COP:3) Η χρησιμοποίηση γεωθερμικών αντλιών με μεγάλη απόδοση προτιμάται, ειδικά σε απρόβλεπτες συνθήκες λειτουργίας «off-design» Η διαστασιολόγηση των σωλήνων θα πρέπει να γίνεται από αποδεκτά πρότυπα διαστασιολόγησης. Στο μίγμα γλυκόλης νερού, θα πρέπει η συγκέντρωση της γλυκόλης να κρατείται χαμηλά <20%. Η διατήρηση σε αυτό το ποσοστό έχει να κάνει και με άλλες παραμέτρους, όπως για παράδειγμα σωστή εκτίμηση και διαστασιολόγηση γεωεναλλάκτη καθώς και αντλίας θερμότητας.
ΧΡΗΣΙΜΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Είναι σημαντικό να εξετάζεται η συμπεριφορά του εδάφους σε βάθος χρόνου για δεδομένες συνθήκες λειτουργίας. Μπορεί τα πρώτα χρόνια όλα να λειτουργούν αποδοτικά, αλλά εάν δεν έχει γίνει σωστή διαστασιολόγηση, αυτό θα οδηγήσει σε ψύξη του εδάφους, με αποτέλεσμα τη συνολική αστοχία του συστήματος.
ΚΕΝΤΡΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΒΕΛΒΕΝΤΟ - ΚΟΖΑΝΗΣ Γεωθερμική Αντλία 15KW(Heating) (20% του φορτίου αιχμής) - Αναμενόμενη Ετήσια Κάλυψη 40-45% (3 Γεωτρήσεις των 100 μέτρων διπλό U) Ηλιακοί Συλλέκτες (Επιλεκτικοί) 10m² -Ζεστά Νερά Χρήσης Υποβοήθηση στη Θέρμανση Βuffer Tank : 2000lt
ΙΣΧΥΟΥΣΑ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΙΑ ΙΑΚΑΣΙΕΣ Α ΕΙΟ ΟΤΗΣΗΣ Αριθμ. 9Β, /Φ166/οικ13068/Γ ΦΠ2488 Φ1249/24-06-2009 Άδειες εγκατάστασης για ίδια χρήση ενεργειακών συστημάτων θέρμανσης - ψύξης χώρων μέσω εκμετάλλευσης της θερμότητας των γεωλογικών σχηματισμών και των νερών, επιφανειακών και υπόγειων, που δεν χαρακτηρίζονται γεωθερμικό δυναμικό
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Μ.Γρ. Βραχόπουλος, Γεωθερμία, Σημειώσεις στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα Παραγωγή και διαχείριση Ενέργειας, Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2004. 2. M. Φυτίκας & N. Ανδρίτσος, Γεωθερμία. Εκδόσεις Τζιόλα, 2004. 3. Μ.Γρ. Βραχόπουλος & Μ.Κ. Κούκου, Definition of horizontal geothermal heat exchanger behaviour,presented at 9th National Conference on Renewable Energy Sources, 26-28 Μαρτίου, Πάφος - Γεροσκήπου, 2009 4. VDI 4640 Part 1: 2010-06, Thermal use of the underground Fundamentals, approvals, environmental aspects, 2010. 5. VDI 4640 Part 2: 2001-09, Thermal use of the underground - Ground source heat pump systems, 2001. 6. VDI 4640 Part 3: 2001-09, Utilization of the subsurface for thermal purposes. Underground thermal energy storage, 2001. 7. VDI 4640 Part 4: 2004-09, Thermal use of the underground - Direct uses, 2004. 8. T. Kasuda, & P. R. Archenbach, Earth Temperature and Thermal Diffusivity at Selected Stations in the United States, ASHRAE Transactions, Vol. 71, Part 1, 1965. 9. B. Sanner, BHE design examples. In Geotrainet Training Manual for Designers of Shallow Geothermal Systems. Brussels : Geotrainet, European Federation of Geologists, pp. 123-127, 2011. 10. B. Sanner, Guidelines, standards, certification and legal permits for ground source heat pumps in the European Union, 9th International IEA Heat Pump Conference, Zürich, Switzerland, 20 22 May, 2008.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 11. E. Sailer, D. Taborda and J. Keir, Assessment of Design Procedures for Vertical Borehole Heat Exchangers, in Proceedings of 14th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, California, January 26-28, 2015. 12. Geothermal Energy in 2011 ASHRAE Handbook - HVAC Applications. Atlanta : American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, pp. 34.1-34.20, 2011. 13. S.E. Dehkordi & R.A. Schincariol, Guidelines and the design approach for vertical geothermal heat pump systems: current status and perspective, Can. Geotech., J. 51, pp. 647 662, 2014. 14. A. Capozza, A. Galgaro and A. Zarrella, Linee Guida per la progettazione dei campi geotermici per pompe di calore. Milan : Ricerca Sistema Energetico, 2012. 15. S.P. Kavanaugh & K.D. Rafferty, Geothermal Heating and Cooling: Design of Ground-Source Heat Pump system, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2014. 16. H. Zeng, N. Diao and Z. Fang, Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (23), pp. 4467-4481, 2003. 17. J. Claesson & P. Eskilson, Conductive heat extraction by a deep borehole: analytical studies. In: Eskilson, P. (ed.), Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Lund, Sweden : Department of Mathematical Physics,University of Lund, 1987. 18. 2003 ASHRAE Handbook, HVAC applications. Chapter 32 Geothermal Energy. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE),Atlanta, GA. 19. (1997). Ground source heat pumps design of geothermal systems for commercial and institutional buildings. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), Atlanta, GA. 20. International Ground Source Heat Pump Association (IGSHPA) standards
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας