ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ. «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2009» ΠΡΑΞΗ Ι:«Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας»

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 1.3 (Π1.3): Παραμετρική μελέτη συμπεριφοράς γεωθερμικών συστημάτων ανοικτού κυκλώματος Υπεύθυνος Φορέας Παραδοτέου: Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή... 3 1.1 Περιγραφή συστημάτων Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας... 3 1.2 Συστήματα εναλλαγής θερμότητας εντός εδάφους... 3 1.3 Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας... 5 1.4 Συστήματα θέρμανσης/ψύξης εντός κτιρίου... 6 2. Παραμετρική ανάλυση συμπεριφοράς ανοικτού συστήματος ΓΑΘ... 7 2.1 Περιγραφή ανοικτού συστήματος ΓΑΘ... 7 2.2 Παραμετρική ανάλυση... 9 2.3 Συντελεστής συμπεριφοράς COP 21 3. Συμπεράσματα... 23 2

1. Εισαγωγή 1.1 Περιγραφή συστημάτων Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας Ένα σύστημα γεωθερμικών αντλιών θερμότητας (ΓΑΘ) αποτελείται από: Σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός του εδάφους, το οποίο είναι είτε γεωεναλλάκτης θερμότητας (ΓΕΘ) είτε υδρογεώτρηση. Γεωθερμική αντλία θερμότητας (κυρίως αντλία θερμότητας νερού-νερού). Σύστημα θέρμανσης χαμηλής θερμοκρασίας ή/και ψύξης εντός του κτιρίου. Εικόνα 1: Σύστημα ΓΑΘ 1.2 Σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός του εδάφους Ένα σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός του εδάφους μπορεί να είναι είτε κλειστό είτε ανοικτό. Στο κλειστό κύκλωμα, οι ΓΕΘ είναι είτε οριζόντιοι, δηλαδή σωλήνες εντός του εδάφους σε οριζόντια διάταξη μέσα σε τάφρους, σε βάθος μεταξύ 1,2 m και 2,0 m (Εικόνα 2α) το οποίο εξαρτάται από τις κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν, είτε κατακόρυφοι (Εικόνα 2β) (Borehole Heat Exchangers BHEs), δηλαδή σωλήνες εντός του εδάφους σε κατακόρυφη διάταξη μέσα σε γεωτρήσεις. Οι σωλήνες αυτοί είναι κατασκευασμένοι συνήθως από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) ή ακτινοδικτυωμένο πολυαιθυλένιο, έχουν διάρκεια ζωής το λιγότερο 50 έτη, και τυπική εξωτερική διάμετρο 32 ή 40 mm. Ανάλογα με το εύρος της θερμοκρασίας λειτουργίας η πλήρωση του σωλήνα πραγματοποιείται με νερό ή μίγμα νερού και αντιψυκτικού υγρού. Στο ανοικτό κύκλωμα το νερό αντλείται από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα από την παραγωγική γεώτρηση, και επαναδιοχετεύεται σε αυτόν με δεύτερη γεώτρηση την γεώτρηση επανεισαγωγής. (Εικόνα 2γ). 3

Παρόλο που οι κατακόρυφοι ΓΕΘ έχουν υψηλότερο κόστος από τους αντίστοιχους οριζόντιους, οι κατακόρυφοι χρησιμοποιούνται στις περισσότερες περιπτώσεις επειδή έχουν τα εξής πλεονεκτήματα: Απαιτείται λιγότερος χώρος σε σχέση με τους οριζόντιους ΓΕΘ. Δεν αντιμετωπίζονται ορισμένες τεχνικές δυσκολίες που ενδεχομένως παρουσιάζονται στις υδρογεωτρήσεις. Η τυπική τεχνολογία για την κατασκευή ενός κατακόρυφου ΓΕΘ περιλαμβάνει απλό ή διπλό σωλήνα σχήματος U (Εικόνα 3) ο οποίος τοποθετείται σε μια ή περισσότερες κατακόρυφες γεωτρήσεις, συνήθως 50 έως 110 m βάθος η καθεμία. Μεταξύ των σωλήνων σχήματος U και των τοιχωμάτων των γεωτρήσεων πραγματοποιείται πλήρωση με ρευστοκονίαμα (Εικόνα 4) ή σπανιότερα πλήρωση με νερό γεώτρησης (Σκανδιναβική πρακτική), εάν ο υδροφόρος ορίζοντας της περιοχής βρίσκεται σε μικρό βάθος και η αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών υδροφόρων οριζόντων δεν δημιουργεί πρόβλημα. α) β) γ) Rohre in Graben Verteiler im Haus Grundwasserspiegel Pumpe Serienschaltung Εικόνα 2: Διατάξεις γεωεναλλακτών θερμότητας: οριζόντιοι (α), κατακόρυφοι (β), υδρογεωτρήσεις παραγωγής και επανεισαγωγής (γ) 4

Εικόνα 3: Κατώτερο τμήμα του κατακόρυφου γεωεναλλάκτη εργοστασιακής κατασκευής σχήματος U Εικόνα 4: Άποψη πληρωμένου με κονίαμα κατακόρυφου ΓΕΘ διπλού σωλήνα σχήματος U 1.3 Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας Οι ΓΑΘ είναι αντλίες θερμότητας κυρίως νερού-νερού χρησιμοποιούνται κυρίως για θέρμανση και ψύξη κτιρίων, όπως επίσης και για παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης (ΖΝΧ). Εγκαθίστανται στα περισσότερα συστήματα ΓΑΘ παρόλο που ορισμένοι κατασκευαστές διαθέτουν επίσης αντλίες θερμότητας νερού (εξωτερικό κύκλωμα) αέρα (εσωτερικό κύκλωμα). 5

Εικόνα 5: Άποψη υδρόψυκτης αντλίας θερμότητας στο Δημαρχείο Πυλαίας στη Θεσσαλονίκη Σε αντίθεση με την κατάσταση που επικρατούσε πριν από 10 χρόνια, σήμερα στην αγορά είναι διαθέσιμες υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας υψηλής απόδοσης. Συνήθως χρησιμοποιούνται σπειροειδείς (scroll) συμπιεστές με ρύθμιση on-off και σαν ψυκτικά υγρά τα R407C ή R134a με την τάση να αντικατασταθούν από το R410A, το οποίο έχει καλύτερες ιδιότητες μετάδοσης θερμότητας και καλύτερη απόδοση σε αναστρέψιμα συστήματα για λειτουργία θέρμανσης / ψύξης. Μελλοντική τάση είναι η χρήση συμπιεστών μεταβλητής ισχύος. Ο συντελεστής ενεργειακής απόδοσης (COP) των ΓΑΘ ορίζεται ο λόγος της αποδιδόμενης ενέργειας προς την ηλεκτρική κατανάλωση, και αφορά μια συγκεκριμένη στιγμή, ή συνθήκες. Ο εποχιακός συντελεστής απόδοσης (SPF) είναι το ολοκλήρωμα του COP κατά την περίοδο θέρμανσης/ψύξης. Τυπικές τιμές των COP για συνδυασμό της αντλίας θερμότητας με ΓΕΘ και ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης είναι μεταξύ 3,5 και 5,0. Στην περίπτωση που η αντλία θερμότητας συνδέεται με ανοικτό σύστημα δηλαδή με υδρογεώτρηση, οι τυπικές τιμές των COP είναι μεταξύ 4,0 και 6,5. 1.4 Συστήματα θέρμανσης/ψύξης εντός κτιρίου Η ενεργειακή απόδοση των συστημάτων ΓΑΘ ενισχύεται, όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης του κτιρίου είναι χαμηλή. Σε περίπτωση λειτουργίας ψύξης, υψηλότερες θερμοκρασίες του συστήματος ψύξης οδηγούν σε καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Συστήματα θέρμανσης που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι το ενδοδαπέδιο σύστημα, το ενδοτοίχιο, τα fan-coils και οι κεντρικές κλιματιστικές μονάδες με αεραγωγούς. Στην περίπτωση ψύξης, τα καλύτερα συστήματα από πλευράς ενεργειακής απόδοσης είναι τα συστήματα οροφής και τα ενδοτοίχια συστήματα. Μετρήσεις του COP στην Ευρώπη, στο κέντρο δοκιμών αντλιών θερμότητας στο Töss στη Ελβετία, έδειξαν ότι για θερμοκρασία εδάφους 0 C, μπορεί να επιτευχθεί 6

COP = 5 για θερμοκρασία θέρμανσης 35 C και τιμές γύρω στο COP = 3.5 για θερμοκρασία θέρμανσης 55 C. 2. Παραμετρική ανάλυση συμπεριφοράς ανοικτού συστήματος ΓΑΘ 2.1 Περιγραφή ανοικτού συστήματος ΓΑΘ Σκοπός του παραδοτέου Π1.3 του έργου ΓΕΩΑΙΧΜΗ είναι η παραμετρική ανάλυση ενός ανοικτού συστήματος ΓΑΘ. Στην ανάλυση αυτή ως παράμετροι θεωρούνται οι θερμοκρασίες εισόδου στη ΓΑΘ από την παραγωγική γεώτρηση και θερμοκρασίες εξόδου της ΓΑΘ προς την γεώτρηση επανεισαγωγής. Στο πλαίσιο αυτό παρατίθεται περιγραφή ενός ανοικτού συστήματος ΓΑΘ και σχετικό σχηματικό διάγραμμα (Σχήμα 1) όπου απεικονίζονται τα δύο επιμέρους συστήματα: 1. Πρωτεύον/ανοικτό σύστημα: το ρευστό από την παραγωγική γεώτρηση εισέρχεται στον πλακοειδή εναλλάκτη θερμότητας και στη συνέχεια εισάγεται στη γεώτρηση επανεισαγωγής. 2. Δευτερεύον/κλειστό σύστημα: το ρευστό λαμβάνει θερμότητα από το ρευστό της παραγωγικής γεώτρησης μέσω του πλακοειδούς εναλλάκτη θερμότητας, στη συνέχεια εισέρχεται από τη ΓΑΘ και επανέρχεται στον εναλλάκτη. Επίσης, ο εξοπλισμός που περιλαμβάνει ένα ανοικτό σύστημα ΓΑΘ χωρίς τον εξοπλισμό του μηχανοστασίου που συνδέεται με το κτίριο είναι ως εξής: Σωληνώσεις του πρωτεύοντος/ανοικτού συστήματος Σωληνώσεις του δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Υποβρύχια αντλία εντός της παραγωγικής γεώτρησης Πλακοειδής Εναλλάκτης θερμότητας Αντλία κυκλοφορίας στο δευτερεύον/κλειστό κύκλωμα Δοχείο διαστολής και απαερωτής Φίλτρο στην είσοδο των Πλακοειδών Εναλλακτών Θερμότητας Γεωθερμική Αντλία Θερμότητας 7

Σχήμα 1: Σχηματικό διάγραμμα ανοικτού συστήματος ΓΑΘ. Η αξιολόγηση της παραπάνω παραμετρικής ανάλυσης πραγματοποιείται με τον υπολογισμό του συντελεστή συμπεριφοράς του συστήματος COP GSHPsystem. Ο συντελεστής συμπεριφοράς του ανοικτού συστήματος COP GSHPsystem συμπεριλαμβάνει, εκτός της ηλεκτρικής ισχύος του συμπιεστή της ΓΑΘ, και την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται και στα βοηθητικά συστήματα του συνολικού συστήματος ΓΑΘ. Σύμφωνα με τα παραπάνω, στο συντελεστή συμπεριφοράς του ανοικτού συστήματος COP GSHPsystem περιλαμβάνεται και η ηλεκτρική ισχύς της υποβρύχιας αντλίας καθώς και της αντλίας (κυκλοφορητής) του ενδιάμεσου κυκλώματος μεταξύ της γεώτρησης και της ΓΑΘ οπότε ο συντελεστής συμπεριφοράς δίνεται από τη σχέση: COP GSHPsystem = Q Q compr therm + Q pumps όπου Q = Q + Q pumps subm pump 8

Ο υπολογισμός του συντελεστή συμπεριφοράς του συστήματος COP GSHPsystem αποτελεί ένα πολύ σημαντικό μέγεθος στη λειτουργία ενός συστήματος ΓΑΘ διότι αξιολογεί τη διαστασιολόγηση και τελικά την εξοικονόμηση ενέργειας του συνολικού συστήματος ΓΑΘ. Δεδομένου ότι έχει πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση στην επιλογή των ΓΑΘ είναι εξίσου σημαντική η επιλογή των βοηθητικών συστημάτων ώστε να οδηγηθούμε στο σχεδιασμό του βέλτιστου συστήματος. 2.2 Παραμετρική ανάλυση Προσδιορισμός των παραμέτρων του ανοικτού συστήματος ΓΑΘ Σκοπός του παραδοτέου Π1.3 είναι η παραμετρική ανάλυση ενός ανοικτού συστήματος ΓΑΘ θέτοντας ως παράμετρο τη θερμοκρασία εισόδου στη ΓΑΘ από την παραγωγική γεώτρηση και θερμοκρασία εξόδου της ΓΑΘ προς την γεώτρηση επανεισαγωγής. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ΓΑΘ αυτού του συστήματος έχουν προσδιοριστεί από το Παραδοτέο Π1.1 μετά από βελτιστοποίηση της Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας που είχε ως στόχο τη μεγιστοποίηση του συντελεστή συμπεριφοράς (COP) της ΓΑΘ και την ελαχιστοποίηση της επιφάνειας των εναλλακτών, συμπυκνωτή και εξατμιστή αντιστοίχως, στην περίπτωση της θέρμανσης. Σύμφωνα λοιπόν με τα παραπάνω, η παραμετρική ανάλυση του ανοικτού συστήματος θα πραγματοποιηθεί για τις ΓΑΘ με τη βέλτιστη λειτουργία, ισχύος 15, 20, 30, 40, 60 και 80kW αντίστοιχα, όπως αυτές παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 του Παραδοτέου Π1.1. Στο ανοικτό σύστημα οι θερμοκρασίες του ανοικτού συστήματος μεταβάλλονται με βάση τις τέσσερις κλιματικές ζώνες της ελληνικής επικράτειας, όπως αυτές ορίζονται από την ΤΟΤΕΕ 20701-1/2010 (Πίνακας 1). 9

Πίνακας 1: Κλιματικές Ζώνες Ελληνικής Επικράτειας (ΤΟΤΕΕ 20701-1/2010) Εικόνα 6: Χάρτης Κλιματικών Ζωνών της Ελληνικής Επικράτειας Με βάση τα παραπάνω, οι θερμοκρασίες σχεδιασμού για το ανοικτό σύστημα προσδιορίζονται κατά τη λειτουργία θέρμανσης ως εξής: Συμπυκνωτής: Οι θερμοκρασίες σχεδιασμού αντιστοιχούν σε ενδοδαπέδιο σύστημα εντός του κτιρίου, Τ in-cond =30 0 C, Τ out-cond =35 0 C, το οποίο είναι σύστημα χαμηλών θερμοκρασιών με βέλτιστη λειτουργία στα συστήματα ΓΑΘ, δηλαδή ελάχιστη κατανάλωση στο συμπιεστή της ΓΑΘ. Η ίδια λογική ακολουθήθηκε και στο Παραδοτέο Π1.1 όσον αφορά στην επιλογή συστήματος θέρμανσης εντός του κτιρίου. 10

Εξατμιστής: Οι θερμοκρασίες του εξατμιστή θα οδηγήσουν στην παραμετρική ανάλυση του ανοικτού συστήματος ΓΑΘ βάσει των κλιματικών ζωνών. Συγκεκριμένα για καθεμία από τις ΓΑΘ με βέλτιστη λειτουργία θα εξεταστεί η λειτουργία τους για Τ in-evap =22 0 C, Τ out-evap =17 0 C (ζώνη Α), Τ in-evap =19 0 C, Τ out-evap =14 0 C (ζώνη Β), Τ in-evap =17 0 C, Τ out-evap =12 0 C (ζώνη Γ), Τ in-evap =15 0 C, Τ out-evap =10 0 C (ζώνη Δ). Διαστασιολόγηση του βοηθητικού εξοπλισμού του ανοικτού συστήματος ΓΑΘ Στη συνέχεια περιγράφεται η διαδικασία διαστασιολόγησης του βοηθητικού εξοπλισμού του ανοικτού συστήματος ΓΑΘ βάσει κάποιων παραδοχών που έχουν γίνει για τα γεωλογικά δεδομένα. Πιο συγκεκριμένα, το βάθος των γεωτρήσεων σε ανοικτό σύστημα προσδιορίζεται πρακτικά με βάση τα γεωλογικά δεδομένα της εκάστοτε περιοχής και επιβεβαιώνεται με δοκιμαστικές αντλήσεις στο πεδίο μετά τη θερινή περίοδο. Στη συγκεκριμένη περίπτωση θεωρείται ότι το βάθος της γεώτρησης είναι 60m και η υποβρύχια αντλία βυθίζεται στα 30m από την επιφάνεια του εδάφους. Δευτερεύον σύστημα Αντλία κυκλοφορίας (κυκλοφορητής) Αντλία κυκλοφορίας θα πρέπει να τοποθετηθεί στο δίκτυο σωληνώσεων στο δευτερεύον/κλειστό κύκλωμα. Σύστημα ΓΑΘ 15kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 0,44 l/s 0,5bar/100m 0,05bar 0,5bar 0,30bar 1,05bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,07 11

Σύστημα ΓΑΘ 20kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 0,84 l/s 0,4bar/100m 0,004bar 0,5bar 0,30bar 1,04bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,13 Σύστημα ΓΑΘ 30kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 1,25 l/s 0,38bar/100m 0,038bar 0,5bar 0,30bar 1,038bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,13 12

Σύστημα ΓΑΘ 40kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 1,5 l/s 0,35bar/100m 0,035bar 0,5bar 0,30bar 1,035bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,2 Σύστημα ΓΑΘ 60kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 2,4 l/s 0,24bar/100m 0,0024bar 0,5bar 0,30bar 1,024bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,35 13

Σύστημα ΓΑΘ 80kW Παροχή δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος Γραμμικές απώλειες πίεσης κλειστού συστήματος Τοπικές απώλειες πίεσης αντλίας θερμότητας Τοπικές απώλειες εναλλάκτη 3,3 l/s 0,2bar/100m 0,02bar 0,5bar 0,30bar 1,02bar Ισχύς κυκλοφορητή (kw) 0,49 Πρωτεύον σύστημα Υποβρύχια αντλία Η υποβρύχια αντλία εντός της παραγωγικής γεώτρησης επιλέγεται με βάση την παροχή της γεώτρησης, το βάθος τοποθέτησης (30m), τις απώλειες του ανοικτού/πρωτεύοντος συστήματος λαμβάνοντας υπόψη και την απαιτούμενη παροχή για τη λειτουργία του δευτερεύοντος/κλειστού συστήματος. Η παροχή για το ανοικτό/πρωτεύον σύστημα για κάθε ΓΑΘ δίνεται στον παρακάτω πίνακα. Ισχύς συστήματος ΓΑΘ (kw) 15 20 30 40 60 80 Παροχή υποβρύχιας αντλίας (l/s) 0,37 0,7 1,1 1,2 2,0 2,8 14

Για τον υπολογισμό του απαραίτητου μανομετρικού της υποβρύχιας αντλίας υπολογίζεται η δυσμενέστερη διαδρομή του δικτύου. Αναλυτικά για κάθε κλάδο υπολογίζονται οι: Αντιστάσεις τριβών στα τοιχώματα ευθέως σωλήνα: H πτώση πίεσης υπολογίζεται με βάση την εξίσωση Darcy-Weisbach: Δp = f (L/D) ρ v 2 / 2 όπου: Δp: η πτώση πίεσης (Ρa) f: ο αδιάστατος συντελεστής τριβών D: η εσωτερική διάμετρος σωλήνα (m) ρ: η πυκνότητα του μέσου (για το νερό 1000 kg/m 3 ) v: η ταχύτητα ροής (m/s) L: το μήκος του σωλήνα (m) Ο αδιάστατος συντελεστής τριβών (f) είναι συνάρτηση της απόλυτης τραχύτητας του σωλήνα (ε), της διαμέτρου του (D) και του αριθμού Reynolds (Re) και λαμβάνεται κατά Colebrook από τη σχέση: 1/ f = 1,74 2 log10 ( 2 ε / D + 18,7 Re f ) όπου: Re = D v ρ / μ και μ το δυναμικό ιξώδες του ρευστού (Ρα s) Τοπικές αντιστάσεις: Η πτώση πίεσης ειδικών τεμαχίων υπολογίζεται από τη σχέση: Δp = ζ ρ/2 ν 2 όπου: ζ : ο συντελεστής τοπικών απωλειών πίεσης Οι συντελεστές τοπικών απωλειών λαμβάνονται σύμφωνα με τον Πίνακα 2 που ακολουθεί. 15

Πίνακας 2: Συντελεστές απωλειών (Συντελεστής τοπικών απωλειών για εξαρτήματα φλαντζωτών συγκολλητών σωλήνων (ASHRAE Handbook of Fundamentals 1985) A B C D E F G H I J M 25 0,43 0,41 0,22 0,43 0,26 1,00 13,0-4,8 2,0 32 0,41 0,37 0,22 0,41 0,25 0,95 12,0-3,7 2,0 40 0,40 0,35 0,21 0,40 0,23 0,90 10,0-3,0 2,0 50 0,38 0,30 0,20 0,38 0,20 0,84 9,0 0,34 2,5 2,0 65 0,35 0,28 0,19 0,35 0,18 0,79 8,0 0,27 2,3 2,0 80 0,34 0,25 0,18 0,34 0,17 0,76 7,0 0,22 2,2 2,0 100 0,31 0,22 0,18 0,31 0,15 0,70 6,5 0,16 2,1 2,0 150 0,29 0,18 0,17 0,29 0,12 0,62 6,0 0,10 2,1 2,0 200 0,27 0.16 0,17 0,27 0,10 0,58 5,7 0,08 2,1 2,0 250 0,25 0,14 0,16 0,25 0,09 0,53 5,7 0,06 2,1 2,0 300 0,24 0,13 0,16 0,24 0,08 0,50 5,7 0,05 2,1 2,0 A: Ονομαστική διάμετρος B: Γωνία 90 ο κανονική C: Γωνία 90 ο ανοιχτή D: Γωνία 45 ο ανοιχτή E: Γωνία 180 ο κανονική F: Διακλάδωση Τ γραμμή G: Διακλάδωση Τ κλάδος H: Βαλβίδα έδρας I: Βαλβίδα σύρτη J: Βαλβίδα γωνιακή M: Βαλβίδα αντεπιστροφής με κλαπέ Η συνολική πτώση πίεσης υπολογίζεται από την άθροιση των γραμμικών και των τοπικών απωλειών πίεσης. Με βάση τους παραπάνω υπολογισμούς προκύπτουν οι συνολικές απώλειες πίεσης βάσει των οποίων ακολουθεί επιλογή υποβρύχιας αντλίας για το ανοικτό σύστημα γεωθερμικών αντλιών θερμότητας. 16

Σύστημα ΓΑΘ 15kW Παροχή γεώτρησης πρωτεύοντος/ανοικτού συστήματος Μανομετρικές απώλειες (30m βύθιση) Τοπικές απώλειες πίεσης υποβρύχιας αντλίας Γραμμικές απώλειες πίεσης σωληνώσεων πρωτεύοντοςανοικτού Τοπικές απώλειες πίεσης πλακοειδή εναλλάκτη θερμότητας Ισχύς της υποβρύχιας αντλίας 0,37 l/s 0,55bar/100m 3,00bar 0,25bar 1,27bar 0,3bar 5,0bar 0,26kW Σύστημα ΓΑΘ 20kW Παροχή γεώτρησης πρωτεύοντος/ανοικτού συστήματος Μανομετρικές απώλειες (30m βύθιση) Τοπικές απώλειες πίεσης υποβρύχιας αντλίας Γραμμικές απώλειες πίεσης σωληνώσεων πρωτεύοντοςανοικτού Τοπικές απώλειες πίεσης πλακοειδή εναλλάκτη θερμότητας Ισχύς της υποβρύχιας αντλίας 0,7 l/s 0,45bar/100m 3,00bar 0,25bar 1,04bar 0,3bar 4,8bar 0,48kW 17

Φίλτρο Για την αποφυγή εισαγωγής ανεπιθύμητων σωματιδίων στο ανοικτό σύστημα στην είσοδο των πλακοειδών εναλλακτών θερμότητας προβλέπεται η τοποθέτηση φίλτρου. Πλακοειδής Εναλλάκτης Θερμότητας Οι πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούνται για την εναλλαγή θερμότητας μεταξύ του ρευστού του πρωτεύοντος/ανοικτού κυκλώματος που προέρχεται από την παραγωγική γεώτρηση και του ρευστού εντός του δευτερεύοντος/κλειστού κυκλώματος που μεταδίδει τη θερμότητα στις ΓΑΘ. Επιλέγεται πλακοειδής εναλλάκτης αντιρροής, ο οποίος μπορεί να αποσυναρμολογηθεί (μη συγκολλητός) για την εύκολη απομάκρυνση των επικαθίσεων στις επιφάνειες του κατά την διαδικασία συντήρησης του. Η επιλογή εναλλάκτη προκύπτει με βάση τις παροχές του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος κυκλώματος όπως επίσης και τις θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου σε αυτόν. Ισχύς συστήματος ΓΑΘ (kw) 15 20 30 40 60 80 Ισχύς πλακοειδή εναλλάκτη θερμότητας (kw) 9 18 24 30 50 70 20

Στον παρακάτω συγκεντρωτικό Πίνακα 3 παρουσιάζονται συνολικά όλα τα τεχνικά στοιχεία του βασικού βοηθητικού εξοπλισμού για τα συστήματα ΓΑΘ. Πίνακας 3: Συγκεντρωτικός πίνακας τεχνικών χαρακτηριστικών βοηθητικού εξοπλισμού ΙΣΧΥΣ 15kW 20kW 30kW 40kW 60kW 80kW Υποβρύχια αντλία (kw) 0,26 0,48 0,7 0,79 1,3 1,7 Πλακοειδής εναλλάκτης (kw) 9 18 24 30 50 70 Αντλία κυκλοφορίας (κυκλοφορητής) (kw) 0,07 0,13 0,13 0,2 0,45 0,49 2.3 Συντελεστής συμπεριφοράς COP Στον Πίνακα 4 παρουσιάζεται ο συντελεστής συμπεριφοράς (COP GSHPsystem ) για καθένα από τα συστήματα ΓΑΘ για 15, 20, 30, 40, 60 και 80kW, σαν αποτέλεσμα της παραμετρικής ανάλυσης των συστημάτων ΓΑΘ με τη βέλτιστη λειτουργία, όπου μεταβάλλονται οι θερμοκρασίες του ανοικτού συστήματος και διατηρούνται σταθερές οι θερμοκρασίες εισόδου-εξόδου εντός κτιρίου 35 0 C/30 0 C. Επίσης στον Πίνακα 5 που ακολουθεί εμφανίζεται ο συντελεστής απόδοσης COP GSHP μόνο των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας, ο οποίος υπολογίζεται βάσει των θερμοκρασιών των ανοικτών συστημάτων ΓΑΘ. 21

Πίνακας 4: Συντελεστής COP GSHPsystem Τ in-evap / Τ out-evap Ισχύς συστήματος Α ζώνη Β ζώνη Γ ζώνη Δ ζώνη ΓΑΘ 22/17 0 C 19/14 0 C 17/12 0 C 15/10 0 C 15kW 6,0 5.5 5.1 4,7 20kW 6.3 5.9 5.4 4.9 30kW 6.3 5.8 5.2 4,8 40kW 6,5 5,8 5,5 5,3 60kW 6.4 5,8 5,8 5,3 80kW 6,1 6,0 6,0 5,9 Πίνακας 5: Συντελεστής COP GSHP Τ in-evap / Τ out-evap Ισχύς ΓΑΘ Α ζώνη 22/17 0 C Β ζώνη 19/14 0 C Γ ζώνη 17/12 0 C Δ ζώνη 15/10 0 C 15kW 7.4 6.5 6.0 5.5 20kW 7.7 7.2 6.8 6.3 30kW 7.0 6.4 6.0 5.2 40kW 7.4 6.6 6.1 5.8 60kW 7.3 6.7 6.7 6.1 80kW 7.3 7.1 7.0 6.1 22

3. Συμπεράσματα Παρατηρώντας τους Πίνακες 4 και 5 διαπιστώνεται ότι ο συντελεστής απόδοσης τόσο του συνόλου του συστήματος ΓΑΘ (Πίνακες 4) αλλά και μεμονωμένα των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας (Πίνακας 5) αυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμική ισχύς του συστήματος ή της Γεωθερμικής Αντλίας Θερμότητας. Επίσης σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενός συστήματος έχει και η κλιματική ζώνη όπου είναι εγκατεστημένο. Για ήπιες κλιματικά περιοχές όπως είναι αυτές που ανήκουν στην κλιματική Ζώνη Α η απόδοση των συστημάτων ΓΑΘ είναι μεγαλύτερη κατά την περίοδο θέρμανσης, όμως σε αυτές τις περιοχές η περίοδος θέρμανσης έχει μικρή διάρκεια. Αντιθέτως, στις ψυχρότερες περιοχές (Ζώνη Γ & Δ ) τα συστήματα έχουν μικρότερο COP για την ίδια ισχύ συστήματος ΓΑΘ ενώ η περίοδος θέρμανσης είναι σαφώς μεγαλύτερη. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι και στις παραπάνω περιπτώσεις τα συστήματα ΓΑΘ είναι αποδοτικά και υπερτερούν σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα θέρμανσης επιβεβαιώνοντας τους στόχους του έργου ΓΕΩΑΙΧΜΗ. Η εφαρμογή συστημάτων ΓΑΘ με υψηλή απόδοση έχει ως αποτέλεσμα την μέγιστη εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας για θέρμανση και ψύξη χώρων αλλά και μείωση των εκπομπών αέριων ρύπων σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. 23