ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΝΤΛΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Εισαγωγή

Τα συστήματα Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας (ΓΑΘ), τα οποία χρησιμοποιούνται για θέρμανση/ψύξη και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ), αποτελούνται από το σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός εδάφους (εναλλάκτης εδάφους ή υδρογεώτρηση), τη γεωθερμική αντλία θερμότητας και το σύστημα θέρμανσης-ψύξης χαμηλής θερμοκρασίας εντός κτηρίου. Τα συστήματα ΓΑΘ αξιοποιούν την πρακτικά σταθερή θερμοκρασία του εδάφους οπότε επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ηλεκτρικής και πρωτογενούς ενέργειας και μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, με αποτέλεσμα σημαντικά οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση τους.

Ένα σύστημα ΓΑΘ αποτελείται από:

• Σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός του εδάφους, το οποίο είναι είτε γεωεναλλάκτης θερμότητας (ΓΕΘ) είτε υδρογεώτρηση.

• Γεωθερμική αντλία θερμότητας.

• Σύστημα θέρμανσης/ψύξης χαμηλών θερμοκρασιών εντός του κτηρίου.

Σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός εδάφους

Το σύστημα εναλλαγής θερμότητας εντός εδάφους μπορεί να είναι είτε κλειστό είτε ανοικτό.

Στο κλειστό κύκλωμα, οι ΓΕΘ είναι είτε οριζόντιοι, δηλαδή σωλήνες εντός του εδάφους σε οριζόντια διάταξη (Εικόνες 1α) μέσα σε τάφρους, σε βάθος 1,2-2,0m, ανάλογα με τις κλιματολογικές συνθήκες, είτε κατακόρυφοι (Borehole Heat Exchangers – BHEs), δηλαδή σωλήνες εντός του εδάφους σε κατακόρυφη διάταξη μέσα σε γεωτρήσεις (boreholes) (Εικόνα 1β). 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 (παράμετρος σχεδίασης), η πλήρωση του σωλήνα πραγματοποιείται με νερό ή με μίγμα νερού και αντιψυκτικού υγρού.

Στο ανοικτό κύκλωμα το νερό αντλείται από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα από την παραγωγική γεώτρηση, και επανεισάγεται στη γεώτρηση επανεισαγωγής (Εικόνα 1γ).

Η τυπική τεχνολογία για την κατασκευή ενός κατακόρυφου ΓΕΘ περιλαμβάνει απλό ή διπλό σωλήνα σχήματος “U” ο οποίος τοποθετείται σε κατακόρυφη γεώτρηση, συνήθως 50 έως 100 μέτρα βάθος. Μεταξύ των σωλήνων σχήματος “U” και των τοιχωμάτων των γεωτρήσεων πραγματοποιείται πλήρωση με ρευστοκονίαμα 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. Τα απαραίτητα υλικά για την κατασκευή του ΓΕΘ όπως ρευστοκονίαμα με βελτιωμένες ιδιότητες μετάδοσης θερμότητας (πιστοποιημένη θερμική απόδοση), συνδέσεις σωλήνων, κ.λπ., έχουν σχεδιαστεί ειδικά για συστήματα ΓΑΘ και διατίθενται πιστοποιημένα στην αγορά.

(α) (β)

(γ) Σχήματα: Διατάξεις γεωεναλλακτών θερμότητας:

(α) οριζόντιοι, (β) κατακόρυφοι, (γ) υδρογεωτρήσεις παραγωγής και επανεισαγωγής [Πηγή: Τμήμα Γεωθερμίας, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας]

Σε μεγάλα συστήματα, όπου η υπερδιαστασιολόγιση των ΓΕΘ θα έχει σαν αποτέλεσμα σημαντική αύξηση του κόστους εγκατάστασης, είναι σημαντικό να πραγματοποιηθούν μετρήσεις των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους και της θερμικής απόδοσης του κατακόρυφου ΓΕΘ με τη χρήση του εξοπλισμού thermal response test. Κατά τη διάρκεια ενός thermal response test, διοχετεύεται θερμότητα εντός του κατακόρυφου ΓΕΘ και μετράται η θερμοκρασία εισόδου και εξόδου του ρευστού. H εκτέλεση ενός thermal response test γίνεται αμέσως μετά την κατασκευή του πρώτου κατακόρυφου γεωεναλλάκτη, με σκοπό να καθοριστεί ο αριθμός και το βάθος των κατακόρυφων ΓΕΘ που απαιτούνται σε ένα συγκεκριμένο σύστημα.

Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας

Οι ΓΑΘ είναι αντλίες θερμότητας κυρίως νερού-νερού χρησιμοποιούνται για θέρμανση και ψύξη κτηρίων, όπως επίσης και για παροχή ζεστού νερού χρήσης.

Σχήμα: Άποψη μηχανοστασίου συστήματος ΓΑΘ σε οικία στην Αττική [Πηγή: Τμήμα Γεωθερμίας, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας]

Οι συμπιεστές που χρησιμοποιούνται στις ΓΑΘ είναι συνήθως σπειροειδείς (scroll) με ρύθμιση on-off ή συμπιεστές μεταβλητής ισχύος 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.

Οι συντελεστές COP και EER των ΓΑΘ είναι ο συντελεστής συμπεριφοράς στις ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας για θέρμανση και ψύξη αντίστοιχα. Ο εποχιακός βαθμός απόδοσης (SPF) είναι ο μέσος εποχιακός συντελεστής συμπεριφοράς των αντλιών θερμότητας στις μέσες συνθήκες λειτουργίας ψύξης/θέρμανσης.

Συστήματα θέρμανσης/ψύξης εντός κτηρίου

Η ενεργειακή απόδοση των συστημάτων ΓΑΘ ενισχύεται, όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης του κτηρίου είναι χαμηλή. Σε περίπτωση λειτουργίας ψύξης, υψηλότερες θερμοκρασίες του συστήματος ψύξης οδηγούν σε καλύτερη ενεργειακή απόδοση.

Τα συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών είναι το ενδοδαπέδιο σύστημα, το ενδοτοίχιο, τα fan-coils, οι κεντρικές κλιματιστικές μονάδες και τα συστήματα οροφής.

Πλεονεκτήματα ΓΑΘ

Τα συστήματα ΓΑΘ λόγω της πρακτικά σταθερής θερμοκρασίας του υπεδάφους έχουν αυξημένη απόδοση (υψηλό COP/EER) οπότε και πολύ χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Το χαμηλό λειτουργικό κόστος είναι πολύ σημαντικός παράγοντας για την επιλογή ενός ενεργειακού συστήματος καθώς η συνεχής μεταβολή στις τιμές των καυσίμων εξαρτάται από πλήθος οικονομικών και πολιτικών παραγόντων. Επίσης, το χαμηλό λειτουργικό κόστος οδηγεί σε πολύ μεγάλη ετήσια εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας (~35%) και χρημάτων (~80%) οπότε και η αποπληρωμή του συστήματος ΓΑΘ, τόσο σε κλειστά όσο και σε ανοικτά συστήματα, πραγματοποιείται σε μικρό χρονικό διάστημα (2,5-3,5y).

Όσον αφορά στα περιβαλλοντικά οφέλη των συστημάτων ΓΑΘ, σημειώνεται καταρχήν ότι η αβαθής γεωθερμία, την οποία εκμεταλλεύονται τα συστήματα αυτά, είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας με βάση το άρθρο 2, 2009/28/ΕΚ και οδηγεί στη σημαντική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και την επίτευξη του στόχου 20-20-20. Επίσης, οι εφαρμογές συστημάτων ΓΑΘ οδηγούν σε πρακτικά μηδενικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις τόσο κατά την κατασκευή τόσο και κατά τη λειτουργία τους. Από την άλλη μεριά, η χρήση του υπέργειου χώρου των γεωεναλλακτών τόσο σε ιδιωτικούς όσο και σε δημόσιους χώρους για δημιουργία χώρων πρασίνου, πάρκα, πλατείες, χώρους αναψυχής κ.λπ. συμβάλλει στη βελτίωση του μικροκλίματος κυρίως αστικών περιοχών.

Εκτός από τα οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη, τα συστήματα ΓΑΘ μπορούν να εφαρμοσθούν ευρέως και σε πληθώρα εφαρμογών λόγω των παρακάτω σημαντικών πλεονεκτημάτων:

• Εγκατάσταση σε οποιοδήποτε μέρος λόγω μη εκμετάλλευσης του γεωθερμικού πεδίου.

• Αδιάλειπτη λειτουργία με συνεχή παροχή θέρμανσης/ψύξης/ΖΝΧ χωρίς να είναι απαραίτητο ένα συμβατικό σύστημα εφεδρείας.

• Αθόρυβη και απόλυτα ασφαλής λειτουργία χωρίς ύπαρξη καύσης.

• Πολύ υψηλός βαθμός απόδοσης COP/EER σε σχέση με άλλα συστήματα αντλιών θερμότητας.

• Συνεισφορά στη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας των κτηρίων.

• Εφαρμογή σε αστικό περιβάλλον λόγω ύπαρξης εναλλακτικών λύσεων συστήματος εναλλαγής θερμότητας με το έδαφος ακόμα και σε περίπτωση πολύ περιορισμένου χώρου.

• Εκμετάλλευση του υπέργειου χώρου των γεωεναλλακτών για χώρους αναψυχής, θέσεις στάθμευσης κ.λπ.

Παράδειγμα ΓΑΘ σε οικία

H τεχνολογία των ΓΑΘ είναι μια αξιόπιστη και ώριμη τεχνολογία, η οποία εφαρμόζεται τα τελευταία 30 χρόνια στην Κεντρική και Βόρεια Ευρώπη και την τελευταία δεκαετία στη Νότια Ευρώπη, οπότε τα απαραίτητα στοιχεία για το σχεδιασμό και την οικονομική ανάλυσή τους είναι πλέον ευρέως διαδεδομένα. Σε αυτήν την παράγραφο πραγματοποιείται η ανάλυση βασικών οικονομικών μεγεθών ενός τυπικού συστήματος ΓΑΘ για εφαρμογή μικρής κλίμακας π.χ. οικία, για θέρμανση, ψύξη και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης.

Κλειστό σύστημα ΓΑΘ

• Θερμική/ψυκτική απαίτηση: 20kW_th/18kW_c
• Θερμοκρασίες σχεδιασμού:
  • Θέρμανση: 16/12^oC (έδαφος) 40/45^oC (κτήριο)
  • Ψύξη: 16/20^oC (έδαφος) 12/7^oC (κτήριο)

Με βάση τις απαιτήσεις για θέρμανση/ψύξη επιλέγεται ΓΑΘ με ισχύς 22kW_th, 19kW_c με δεδομένες τις προαναφερθείσες θερμοκρασίες σχεδιασμού.

Στη συνέχεια βάσει των γεωλογικών σχηματισμών προσδιορίζεται η απόδοση του εδάφους σε θέρμανση και ψύξη και λαμβάνοντας υπόψη την απόδοση της ΓΑΘ προσδιορίζεται το απαιτούμενο φορτίο που θα καλυφθεί από το έδαφος, οπότε προσδιορίζονται τα τεχνικά στοιχεία του κατακόρυφου και οριζοντίου συστήματος γεωεναλλακτών.

Κλειστό κατακόρυφο σύστημα

• 4 κατακόρυφοι γεωεναλλάκτες – 98m βάθους (συνολικά 392m)
• Μικρή επιφάνεια εγκατάστασης – απόσταση 5m μεταξύ των κατακόρυφων γεωεναλλακτών

Σχήμα: Κατακόρυφοι γεωεναλλάκτες [Πηγή: Τμήμα Γεωθερμίας, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας]

Κλειστό οριζόντιο σύστημα

• 785m² οριζόντιου γεωεναλλάκτη (απλή διάταξη – εικόνα 4α)
• 470m² οριζόντιου γεωεναλλάκτη (σπειροειδής διάταξη – slinky – εικόνα 4β)

(α) (β)

Σχήματα: Οριζόντιοι γεωεναλλάκτες: (α) απλή διάταξη (β) σπειροειδής διάταξη – slinky [Πηγή: Τμήμα Γεωθερμίας, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας]

Δεδομένων των τεχνικών στοιχείων του κλειστού συστήματος ΓΑΘ υπολογίζονται βασικά οικονομικά μεγέθη όπως επίσης και ετήσια εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας και μείωση εκπομπών CO₂, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 1: Κλειστό σύστημα ΓΑΘ

	Κατακόρυφο κλειστό σύστημα	Οριζόντιο κλειστό σύστημα
Κόστος εγκατάστασης (€)	27.985	20.420
Ετήσιο κόστος λειτουργίας (€)	852
Ετήσιο κόστος συντήρησης (€)	200
Simple pay-back time (y)	3,4	1,9
Ετήσια εξοικονόμηση χρημάτων (%)	83
Ετήσια εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας (%)	33
Ετήσια μείωση CO2 (tons)	3,34

Ανοικτό σύστημα ΓΑΘ

• Θερμική/ψυκτική απαίτηση: 20kW_th/18kW_c
• Θερμοκρασίες σχεδιασμού:
  • Θέρμανση: 18/14^oC (έδαφος) 40/45^oC (κτήριο)
  • Ψύξη: 18/22^oC (έδαφος) 12/7^oC (κτήριο)

Με βάση τις απαιτήσεις για θέρμανση/ψύξη επιλέγεται ΓΑΘ με ισχύ 23,8kW_th, 17,6kW_c με δεδομένες τις προαναφερθείσες θερμοκρασίες σχεδιασμού.

Στο ανοικτό σύστημα βάσει των γεωλογικών σχηματισμών και των δοκιμαστικών αντλήσεων που πραγματοποιούνται προσδιορίζονται η αρχική θερμοκρασία, η διαθέσιμη παροχή του νερού της γεώτρησης, το βάθος άντλησης, οπότε για την κάλυψη του παραπάνω φορτίου και για μια συγκεκριμένη περιοχή θεωρούμε ότι ισχύουν τα εξής:

• Αρχική θερμοκρασία 18^oC
• 2 υδρογεωτρήσεις 60m (παραγωγική & επανεισαγωγής)
• Παροχή παραγωγικής υδρογεώτρησης 6m³/h

Δεδομένων των τεχνικών στοιχείων του ανοικτού συστήματος ΓΑΘ υπολογίζονται βασικά οικονομικά μεγέθη όπως επίσης και ετήσια εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας και μείωση εκπομπών CO₂, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 2: Ανοικτό σύστημα ΓΑΘ

Κόστος εγκατάστασης (€)	22.600
Ετήσιο κόστος λειτουργίας(€)	920
Ετήσιο κόστος συντήρησης(€)	400
Simple pay-back time (y)	2,22
Ετήσια εξοικονόμηση χρημάτων (%)	80
Ετήσια εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας (%)	33
Ετήσια μείωση CO2 (tons)	3,44

Στην παραπάνω οικονομοτεχνική ανάλυση λήφθηκαν υπόψη οι εξής παραδοχές:

• Το συμβατικό σύστημα με το οποίο συγκρίνεται το σύστημα ΓΑΘ αποτελείται από καυστήρα πετρελαίου για τη θέρμανση και split-units για την ψύξη.
• Το κόστος εγκατάστασης συστήματος ΓΑΘ δεν περιλαμβάνει το σύστημα θέρμανσης χαμηλής θερμοκρασίας εντός του κτηρίου διότι αυτό είναι κοινό και στα συστήματα ΓΑΘ και στα συμβατικά συστήματα.
• Για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε πρωτογενή χρησιμοποιείται ο συντελεστής 2,9 (σύμφωνα με ΚΕΝΑΚ).
• Για τον υπολογισμό της ετήσιας μείωσης εκπομπών CO₂ χρησιμοποιείται η εξίσωση 1ΤΙΠ=10465,12kWh_th= 3,2ΤCO₂.

Πηγή:

Τμήμα Γεωθερμίας, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας

Βιβλιογραφία

[1] Mendrinos D., Karytsas C. and Sanner B. (2007): Project GROUND-REACH “Reaching the Kyoto targets by means of a wide introduction of ground coupled heat pumps (GCHP) in the built environment”, Proceedings European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May-1 June 2007.

[2] Μπένου A., Καρράς K., Κοντολέοντος E., Καρύτσας K.: «Σύστημα Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας για θέρμανση-ψύξη στο Διεθνή Αερολιμένα Αθηνών και Αποτίμηση Κύκλου Ζωής», 4ο Εθνικό Συνέδριο, “Η εφαρμογή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας προς ένα φιλόδοξο και αξιόπιστο εθνικό πρόγραμμα δράσης», Αθήνα, 10-12 Μαΐου 2010.

[3] Benou A., Choropanitis J., Kontoleontos E., Karytsas C. (2009): “GSHP systems in the built environment”, International Forum, “Geothermal Energy in the Spotlight”, Thessaloniki, Greece, 11-12 December 2009.

[4] Benou A., Mendrinos D., Karytsas C., ”Ground Source Heat Pump Systems: Technology and Best Practices”, Sixth national conference on Energy Efficiency and Renewable energy sources with international participation “Energy Efficiency and Environment”, Sofia, Bulgaria, 29-30 October 2007.