ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Κ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ.

 

ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ:
Η νέα μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας που αντικαθιστά πλήρως τη χρήση πετρελαίου αλλά και όλα τα συμβατικά συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Ήρθε η ώρα για οικονομία και ενεργειακή ανεξαρτησία.
Με τον όρο «Γεωθερμία», θα μπορούσε να δημιουργηθεί σύγχυση, διότι ο όρος αναφέρεται στη θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ως γεωθερμία ορίζεται η εκμετάλλευση της ενέργειας από το εσωτερικό της γης από όπου με τη χρήση μιας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας επιτρέπεται η μεταφορά θερμότητας από και προς το έδαφος για παραγωγή ψύξης, θέρμανσης και ζεστού νερού χρήσης για οικιακές αλλά και ευρύτερης κλίμακας εφαρμογές.

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Αβαθής γεωθερμία ονομάζεται η ενέργεια η οποία προέρχεται από τα επιφανειακά στρώματα της Γης. Αντίστοιχα, όταν η ενέργεια αυτή προέρχεται από τα έγκατα της γης χαρακτηρίζεται ως γεωθερμικό δυναμικό. Η εφαρμογή της γεωθερμίας στον κλιματισμό των κτιριακών εγκαταστάσεων αναφέρεται στην εκμετάλλευση της ενέργειας των επιφανειακών γεωλογικών σχηματισμών και των υδάτων - επιφανειακών και υπογείων - που δεν χαρακτηρίζονται ως γεωθερμικό δυναμικό.

Σύμφωνα με τη νέα ισχύουσα ελληνική νομοθεσία, η γεωθερμική ενέργεια κάτω των 25°C μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση και κλιματισμό κτιριακών εγκαταστάσεων, με μία απλή άδεια από την τοπική Νομαρχία. Οι περιοχές με γεωθερμικό πεδίο άνω των 25°C, είναι ιδιοκτησία του ελληνικού δημοσίου και τη διαχείριση τους έχει το υπουργείο ανάπτυξης.

Η θερμοκρασία των επιφανειακών στρωμάτων του φλοιού της Γης παραμένει σχεδόν σταθερή σε όλη τη διάρκεια του έτους, ανεξάρτητα από τις κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια. Αυτή η σχεδόν σταθερή θερμοκρασία είναι αποτέλεσμα της συνεχούς ακτινοβολίας του ηλίου -ηλιακή ενέργεια- και της θερμομόνωσης που παρουσιάζει το εκάστοτε πέτρωμα. Η λειτουργία των γεωθερμικών συστημάτων βασίζεται στη μεταφορά ενεργειακών φορτίων από το έδαφος ή τα υπόγεια ύδατα στον κλιματιζόμενο χώρο και αντίστροφα. Τη χειμερινή περίοδο, μεταφέρεται θερμότητα από το έδαφος στο εσωτερικό του κλιματιζόμενου χώρου ενώ η διαδικασία αντιστρέφεται την περίοδο του καλοκαιριού.

Η αβαθής γεωθερμία είναι μια από τις πλέον καθαρές και ελάχιστα ρυπαντικές μορφές ενέργειας. Τα γεωθερμικά συστήματα μπορούν να εκμεταλλευτούν στο έπακρο και να πολλαπλασιάσουν την αποτελεσματικότητα άλλων συστημάτων εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως τα θερμικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά, αλλά και από μόνα τους είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον από τα συμβατικά συστήματα ορυκτών καυσίμων, καθώς μειώνουν τις εκπομπές αέριων ρύπων και τα συνεπακόλουθα προβλήματά τους - όξινη βροχή, φαινόμενο του θερμοκηπίου, τρύπα του όζοντος.

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Ανεξαρτησία από το πετρέλαιο θέρμανσης.

Οικονομική λειτουργία με ετήσιο κόστος μικρότερο από το μισό αντίστοιχο κόστος πετρελαίου.

Δροσισμός χωρίς κόστος το καλοκαίρι.

Μηδενικό κόστος συντήρησης.

Χωρίς λεβητοστάσιο, καμινάδες, δεξαμενή πετρελαίου, ρύπους και έξοδα συντήρησης.

ΑΝΤΛΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μεταφορά των ενεργειακών φορτίων από το κτίριο στο έδαφος ή στα υπόγεια ύδατα πραγματοποιείται μέσω της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας, η οποία παράγει ψύξη, θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης για οικιακές αλλά και ευρύτερης κλίμακας εφαρμογές. Οι αντλίες θερμότητας είναι ψυκτικές συσκευές οι οποίες αντιστρέφουν την φυσική διεύθυνση της θερμότητας, την εξαναγκάζουν δηλαδή να κατευθυνθεί από ένα ψυχρό μέσο σε ένα άλλο θερμότερο.

Αντίστοιχες ψυκτικές συσκευές είναι και οι γνωστές αερόψυκτες εξωτερικές μονάδες των κλιματιστικών, οι οποίες παρουσιάζουν μεγάλη πτώση της απόδοσης τους σε εξωτερικές θερμοκρασίες άνω των 40°C. Το φαινόμενο εξηγείται θερμοδυναμικά, καθώς η συσκευή πρέπει να αποβάλει θερμότητα σε ένα περιβάλλον ήδη κορεσμένο από θερμικό φορτίο, καταναλώνοντας έτσι μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Στην ιδανική περίπτωση που η κλιματιστική συσκευή μπορούσε να αποβάλλει τη θερμότητα σε ένα ψυχρότερο περιβάλλον, όπως αυτό του εσωτερικού του εδάφους –ανώτερη θερμοκρασία 20°C-, τότε ο βαθμός απόδοσή της θα ήταν ο βέλτιστος με συνέπεια την μέγιστη εξοικονόμηση σε ηλεκτρική ενέργεια.

Σε αυτή την αρχή της θερμοδυναμικής βασίζεται η χρήση των γεωθερμικών εναλλακτών, που κατά μια έννοια μεταφέρουν, με τη βοήθεια της αντλίας θερμότητας, τους 20°C του εδάφους μέσα στο κτίριο, καταναλώνοντας έτσι την ελάχιστη δυνατή ηλεκτρική ενέργεια. Ο υψηλός συντελεστής απόδοσης C.O.P που παρουσιάζει οφείλεται στην σταθερά υψηλή, μη κορεσμένη θερμοκρασία του εδάφους της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας παραμένει σταθερά σε λόγο 5 προς 1. Δηλαδή, για κάθε kw ηλεκτρικής ενέργειας Wηλ που καταναλώνει η αντλία θερμότητας από το οικιακό δίκτυο, αποδίδει 4kw θέρμανσης ή ψύξης αντίστοιχα.
Το κλειδί για τη λειτουργία του συστήματος, είναι η ιδιότητα που έχει το ψυκτικό μέσο να εξατμίζεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το ψυκτικό υγρό – R407C ή R410A - που χρησιμοποιείται στις αντλίες θερμότητας κτιριακών εγκαταστάσεων, εξατμίζεται στους 5-10°C.

Η γεωθερμική αντλία θερμότητας χρησιμοποιεί τη θερμοκρασία του γεωεναλλάκτη για την εξάτμιση του υγρού ψυκτικού μέσου και με τη βοήθεια της ηλεκτρικής ενέργειας συμπιέζει το αέριο πλέον ψυκτικό μέσο, με στόχο την ανύψωση της πίεσης και θερμοκρασίας του.

Το αέριο ψυκτικό αποδίδει τη θερμοκρασία του στον κλιματιζόμενο χώρο, όταν έρχεται σε επαφή με το νερό κυκλοφορίας θέρμανσης του κτιρίου, διαμέσου ενός εναλλάκτη θερμότητας. Το θερμό νερό μεταβιβάζεται στο κτίριο με στόχο τη θέρμανση του, ενώ το υγρό πια ψυκτικό μέσο εκτονώνεται για τη πτώση της πίεσης του. Η επανάληψη του κύκλου δημιουργεί τη συνεχή θέρμανση του κτιρίου.

Στην καλοκαιρινή λειτουργία, αντιστρέφεται ο κύκλος του ψυκτικού δια της βαλβίδας αντιστροφής, με αποτέλεσμα το έδαφος να αποτελεί τον αποδέκτη της θερμότητας, ενώ το κτίριο την πηγή ενέργειας –εξατμιστής-. Η σχηματική απεικόνιση του κύκλου λειτουργίας της γεωθερμικής αντλίας, φαίνεται παραπάνω.
Πρακτικά δεν είναι τίποτε άλλο από μια μηχανή που μπορεί να μεταφέρει τη θερμότητα από τον ψυχρό χώρο στον θερμό, ή στη γλώσσα των μηχανικών, από τη «θερμή δεξαμενή» στην «ψυχρή δεξαμενή». Ακριβώς την ίδια δουλειά εκτελεί το οικιακό ψυγείο και το κλιματιστικό μηχάνημα που απαντάται στα σπίτια και στα γραφεία. Μια διαφορά που έχει το ψυγείο με το κλιματιστικό είναι το ότι στο δεύτερο μπορεί να οριστεί από το χρήστη η θερμή και ψυχρή δεξαμενή. Το καλοκαίρι ορίζουμε θερμή δεξαμενή το περιβάλλον και ψυχρή τον εσωτερικό χώρο (επιλέγοντας λειτουργία ψύξης) και το μηχάνημα αποβάλλει στο περιβάλλον τη θερμότητα του σπιτιού. Το χειμώνα ορίζουμε θερμή δεξαμενή τον εσωτερικό χώρο και ψυχρή το περιβάλλον (επιλέγοντας λειτουργία θέρμανσης) και το μηχάνημα αποβάλλει τη θερμότητα που υπάρχει στο περιβάλλον μέσα στο σπίτι.

 

Ανοιχτό γεωθερμικό σύστημα

Χαρακτηριστικό του συστήματος είναι η άντληση και επαναφορά υδάτων –υπογείων ή επιφανειακών- και η θερμική εκμετάλλευση τους. Το νερό αντλείται από τον υδροφόρο ορίζοντα -υπέδαφος, θάλασσα, λίμνη ή ποτάμι-, διέρχεται από την αντλία θερμότητας όπου απορροφά ή αποδίδει θερμότητα και κατόπιν επανεισάγεται στην ίδια πηγή. Το γεωθερμικό σύστημα ανοιχτού τύπου είναι οικονομικότερο κατασκευαστικά από τους κλειστούς γεωεναλλάκτες, αλλά ενδείκνυται σε περιοχές με πλούσια υδροφορία και μόνο όταν η κατώτερη στάθμη άντλησης από την γεώτρηση δεν υπερβαίνει τα 50 μέτρα.

Ο σχεδιασμός του γεωθερμικού εναλλάκτη ανοιχτού κυκλώματος υπεδαφικού υδροφόρου περιλαμβάνει συνήθως δύο γεωτρήσεις, μία παραγωγική –στην οποία εμβαπτίζεται η υποβρύχια αντλία- και μία επανεισαγωγής.

Σημαντικοί παράγοντες που καθορίζουν την λειτουργία αλλά και το βαθμό απόδοσης των υπεδαφικών ανοιχτών συστημάτων είναι:
α. Η ποιότητα του υπόγειου νερού ώστε να μην δημιουργούνται διαβρώσεις ή φραξίματα στην υποβρύχια αντλία από σωματίδια στο νερό.
β. Η ποιότητα της γεώτρησης και ειδικά ο τρόπος κατασκευής, η χαλίκωση γύρω από το φίλτρο και η σταθεροποίηση των διαφορετικών σχηματισμών του υπεδάφους.
γ. Ο σχεδιασμός των γεωτρήσεων όσον αφορά την απόσταση μεταξύ της γεώτρησης άντλησης και αυτής της επαναφοράς, η διάμετρος της γεώτρησης και της εσωτερικής σωλήνωσης.
δ. Αρτεσιανά νερά παρουσιάζουν μεταβολές στις θερμοκρασίες του νερού και μεταβάλλουν τους συντελεστές απόδοσης.

Σε περιπτώσεις που η γειτνίαση με τη θάλασσα ή με λίμνη είναι τέτοια που να επιτρέπει την χρήση της, δεν υπάρχει ανάγκη για διάνοιξη γεωτρήσεων αφού με ένα απλό υδραυλικό δίκτυο το νερό προσάγεται και απάγεται από την αντλία θερμότητας μέσω ενός κυκλοφορητή. Φυσικά στα συστήματα αυτά και ειδικά στης θάλασσας, είναι απαραίτητος ο ενδιάμεσος εναλλάκτης θερμότητας από τιτάνιο -Ti-, ή ντουραλουμίνιο -Ni/Cu-, για να προστατεύει τα εσωτερικά κυκλώματα της αντλίας θερμότητας από το υφάλμυρο νερό.

ΕΝΑΛΑΚΤΗΣ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

 

Κατακόρυφο κλειστό γεωθερμικό σύστημα

Το μέγεθος του διαθέσιμου ελεύθερου χώρου και η σύσταση του υπεδάφους καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τον τύπο του γεωθερμικού εναλλάκτη. Ο κάθετος γεωεναλλάκτης κλειστού κυκλώματος εφαρμόζεται σε εγκαταστάσεις με περιορισμένο περιβάλλοντα χώρο και σε περιοχές με αδυναμία πρόσληψης νερού από τον υδροφόρο ορίζοντα. Το πλήθος των γεωτρήσεων είναι συνάρτηση της ισχύος της εγκατάστασης, ενώ η απόδοσή των κατακόρυφων συστημάτων παρουσιάζει σταθερότητα σε όλη τη διάρκεια του έτους. Σημαντικό πλεονέκτημα των κάθετων συστημάτων αποτελεί το γεγονός της γρήγορης αποκατάστασης των θερμοκρασιακών διαταραχών του υπεδάφους, οι οποίες προκαλούνται από την εκμετάλλευση του θερμικού περιεχομένου του.

Ο σχεδιασμός, η εγκατάσταση και η δοκιμαστική λειτουργία των γεωθερμικών εναλλακτών περιγράφονται λεπτομερώς και ακολουθούν το γερμανικό πρότυπο VDI 4460. Σύμφωνα με αυτό, η ανάπτυξη του κατακόρυφου γεωθερμικού εναλλάκτη γίνεται με τις παρακάτω γενικές προδιαγραφές.

α. Η διάμετρος της κάθε γεώτρησης είναι 6-8” και το βάθος τους κυμαίνεται μεταξύ 60 –120m.
β. Στα γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης-ψύξης, είναι απαραίτητη η εγκατάσταση σωληνώσεων από ακτινοδικτυομένο πολυαιθυλένιο Pex για την εξασφάλιση της λειτουργίας σε βάθος χρόνου. Μετά την τοποθέτηση του δικτύου, γίνεται η πλήρωση των γεωτρήσεων με θερμοαγώγιμο μίγμα (τσιμέντο, μπετονίτης ή με το παράγωγο διάνοιξης της ίδιας της γεώτρησης).
γ. Η απόσταση μεταξύ των κάθετων γεωτρήσεων, προτείνεται να είναι μεγαλύτερη των 6m για την αποφυγή τοπικού θερμικού κορεσμού του υπεδάφους.
δ. Η μέση απόδοση του κάθετου γεωθερμικού εναλλάκτη κυμαίνεται μεταξύ 35–65w/m ανάλογα με τα γεωλογικά στοιχεία του υπεδάφους και τη συνεχή απαίτηση σε μέγιστο φορτίο.

ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΣ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ

 

Οριζόντιο κλειστό γεωθερμικό σύστημα

Ο οριζόντιος γεωεναλλάκτης κατασκευάζεται σε σκάμμα ορισμένης επιφάνειας στον περιβάλλοντα χώρο του κτιρίου σε βάθος 1,0-2,5m και με πυκνότητα σωληνώσεων 0,5-0,8m. Στο επίπεδο αυτό αναπτύσσεται το οριζόντιο σύστημα αποτελούμενο από κυκλώματα σωλήνων δικτυωμένου πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας μέγιστου μήκους 100m, τα οποία μέσω των επιμέρους συλλεκτών οδηγούνται στην αντλία θερμότητας.

Στο οριζόντιο κλειστό γεωθερμικό σύστημα το υπέδαφος λειτουργεί και ως εποχιακή αποθήκη θερμικής και ψυκτικής ενέργειας, γεγονός που συμβάλλει σημαντικά στην υψηλότερη απόδοση της εγκατάστασης.

Τα οριζόντια γεωθερμικά συστήματα αποτελούν ίσως την οικονομικότερη κατασκευαστική λύση από οποιοδήποτε άλλο γεωθερμικό σύστημα. Η απαιτούμενη έκταση που είναι αναγκαία είναι συνάρτηση των θερμικών και ψυκτικών απαιτήσεων του κτιρίου. Για την διαστασιολόγηση του γεωθερμικού εναλλάκτη, απαιτείται η γνώση των θερμοκρασιών του εδάφους και των θερμικών αποκρίσεων στο βάθος εγκατάστασης.

Επιπρόσθετα, καθορίζονται η περιοχή εγκατάστασης, η αντίσταση του εδάφους και του σωλήνα, καθώς και τα όρια μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας του διαλύματος που εισέρχεται στην αντλία θερμότητας. Η απόδοση του οριζοντίου εναλλάκτη κυμαίνεται μεταξύ 20-35w/m, ανάλογα με τα γεωλογικά στοιχεία του υπεδάφους.

ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΣ ΓΕΩΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ