ΕΠΙΛΟΓΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ
Παρόλα αυτά η εγκατάσταση των γεωθερμικών συστημάτων αποτελεί μία ακριβή επένδυση συγκρινόμενη με ένα συμβατικό σύστημα καυστήρα-λέβητα, που έχει όμως αρκετά σύντομη απόσβεση. Αρκετές φορές παρατηρούνται σχεδιαστικές και κατ’ επέκταση κοστολογικές διαφορές, από μελετητή σε μελετητή. Το αποτέλεσμα είναι ο τελικός χρήστης να στρέφεται στην επιλογή της οικονομικότερης γεωθερμικής εγκατάστασης, η οποία ενδέχεται μελλοντικά να παρουσιάσει προβλήματα μειωμένης απόδοσης, υψηλής ηλεκτρικής κατανάλωσης και πιθανώς αστοχία.
Οι σχεδιαστικές διαφορές από μελετητή σε μελετητή οφείλονται σε διάφορους παράγοντες. Η βασική αιτία μπορεί να θεωρηθεί η υποδιαστασιολόγηση των γεωθερμικών συστημάτων και πιο συγκεκριμένα του τμήματος που τοποθετείται στο υπέδαφος (γεωσυλλέκτης). Στον Ελλαδικό χώρο τα θερμικά φορτία είναι συνήθως χαμηλότερα από τα ψυκτικά. Το γεγονός αυτό υπαγορεύει τη διαστασιολόγηση του συστήματος με βάση τα ψυκτικά φορτία. Αν η διαστασιολόγηση του γεωσυλλέκτη γίνει σύμφωνα με τα θερμικά φορτία, τότε το σύστημα θα λειτουργήσει ομαλά κατά τη διαδικασία της θέρμανσης, αλλά δε θα γίνει το ίδιο κατά τη λειτουργία της ψύξης.
Πιο συγκεκριμένα, αν θεωρήσουμε ένα κάθετο γεωθερμικό σύστημα, θα πρέπει οι απαιτούμενες οπές για την τοποθέτηση του κάθετου γεωσυλλέκτη να είναι απορροή υπολογισμού των αποδιδόμενων στο έδαφος φορτίων, και όχι των απορροφώμενων από αυτό. Θα πρέπει δηλαδή να σχεδιαστεί ένα σύστημα που να μπορεί να λειτουργήσει το ίδιο ομαλά και κατά την θέρμανση (δηλαδή κατά την απορρόφηση θερμότητας από το υπέδαφος), αλλά και κατά την ψύξη (δηλαδή κατά την απόρριψη των φορτίων στο έδαφος). Το αποτέλεσμα της υποδιαστασιολόγησης είναι η ανόρυξη μικρότερου αριθμού οπών και το χαμηλότερο κατά συνέπεια αρχικό κόστος.
Ένα τέτοιο σύστημα παρουσιάζει μειωμένο συντελεστή απόδοσης (COP), από αυτόν που προδιαγράφεται, με αποτέλεσμα την αυξημένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Το μίγμα ανακυκλοφορίας στον κάθετο γεωσυλλέκτη θα υπερθερμανθεί, και ενδεχομένως να υπάρξει κάποια ρήξη στα τοιχώματα του σωλήνα.
Το σπάσιμο του κάθετου γεωσυλλέκτη είναι ένα σύνηθες φαινόμενο, το οποίο είναι πολύ πιθανό να συμβεί όταν δεν χρησιμοποιούνται τα κατάλληλα υλικά «τσιμέντωσης». Το υλικό «τσιμέντωσης» τοποθετείται στον δακτύλιο της κάθετης οπής μεταξύ των τοιχωμάτων της οπής και του σωλήνα με σκοπό την βελτιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας από και προς το έδαφος, την προστασία των σωλήνων από διαβρωτικές ουσίες και την απομόνωση του γεωθερμικού ορίζοντα από τους κρύους υδροφόρους ορίζοντες. Υλικά με βάση το τσιμέντο παρουσιάζουν προβλήματα κατά την διαστολή και συστολή του μίγματος με αποτέλεσμα τις ρωγμές και την αστοχία της οπής.
Εικόνα 2: Κυλινδρικός γεωσυλλέκτης
Κατά την εγκατάσταση των κάθετων γεωθερμικών συστημάτων οι επιλογές σχετικά με την διάταξη του γεωσυλλέκτη είναι ο διπλός και ο τετραπλός γεωσυλλέκτης σε μορφή U. Η εγκατάσταση τετραπλού γεωσυλλέκτη μπορεί να αποδώσει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας ανά οπή, από ότι ο διπλός γεωσυλλέκτης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τον υπολογισμό λιγότερων οπών για μία δεδομένη εφαρμογή, αν εντός αυτών τοποθετηθεί τετραπλός αντί διπλού γεωσυλλέκτη. Παρά όμως το γεγονός ότι η λύση του τετραπλού γεωσυλλέκτη αποτελεί οικονομικότερη επιλογή, διότι απαιτεί μικρότερο πλήθος οπών, ενδέχεται να παρουσιάσει διάφορα προβλήματα. Τις περιόδους απαιτήσεων θέρμανσης το σύστημα θα λειτουργήσει αποδοτικά και ομαλά, κατά την περίοδο ψύξης όμως ο κεντρικός άξονας της οπής, γύρω από τον οποίο διατάσσεται ο τετραπλός γεωσυλλέκτης, υπερφορτώνεται λόγω της απόρριψης των φορτίων στο υπέδαφος. Το φαινόμενο αυτό είναι περισσότερο αισθητό σε οπές μικρής διαμέτρου. Ο εγκλωβισμός της μεταφοράς θερμότητας κατά τον κεντρικό άξονα της οπής έχει ως επακόλουθο την μείωση του βαθμού απόδοσης του συνόλου της εγκατάστασης και ενδεχομένως τη δημιουργία ρηγματώσεων της «τσιμέντωσης», αλλά και του ίδιου του γεωσυλλέκτη, κατά την λειτουργία της ψύξης.
Εικόνα 3:θερμική ανάλυση μέσω CFD για τον εμπλουτισμό 50W θερμικών φορτίων
Προσοχή θα πρέπει επίσης να δίνεται στην περίπτωση εγκατάστασης κυλινδρικών ή κωνικών γεωσυλλεκτών. Αρκετές φορές στην περιοχή του έργου δεν υπάρχει υπόγειο νερό, ούτε και επαρκής περιβάλλοντας χώρος. Το γεγονός αυτό αποκλείει την εφαρμογή ανοικτού ή κλειστού οριζόντιου γεωθερμικού συστήματος, αντίστοιχα. Επίσης ενδέχεται να αποκλείεται και η εγκατάσταση του κάθετου γεωθερμικού συστήματος, λόγω υψηλού κόστους. Το κωνικό γεωθερμικό σύστημα αποτελεί την βέλτιστη κατασκευαστική λύση, σε αυτές τις περιπτώσεις, λόγω του μικρότερου χώρου που καταλαμβάνει σε σχέση με το οριζόντιο σύστημα, και του χαμηλότερου κόστους σε σχέση με το κάθετο σύστημα. Στόχος είναι η διάταξη των σωληνώσεων με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται η απόδοση του συστήματος και να μην απαιτείται υψηλό ποσό ηλεκτρικής ενέργειας κατά την λειτουργία της εγκατάστασης.
Το κωνικό σχήμα έχει ιδιαίτερη σημασία εφόσον δεν προκαλεί θερμική συμφόρηση στο υπέδαφος κατά τον κάθετο άξονα και βοηθά στην απαγωγή και απορρόφηση του ενεργειακού φορτίου εν συγκρίσει με το κυλινδρικό. Το γεωθερμικό σύστημα με θαμμένους σωλήνες κυλινδρικής διαμόρφωσης μπορεί να λειτουργήσει ομαλά κατά την θέρμανση όμως στην ψύξη θα υπάρξει συσσώρευση ενέργειας στο κέντρο του κυλίνδρου. Οι συνέπειες είναι ο κορεσμός του εδάφους, ο μειωμένος βαθμός απόδοσης και η αύξηση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας.
Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η επιλογή ενός σωστά σχεδιασμένου γεωθερμικού συστήματος ίσως παρουσιάζει μεγαλύτερο αρχικό κόστος, όμως συνεπάγεται ομαλή και αποδοτική μακροχρόνια λειτουργία. Ο τελικός χρήστης θα πρέπει να δίνει ιδιαίτερη σημασία σε τεχνοοικονομικούς παράγοντες και όχι αποκλειστικά σε οικονομικά κριτήρια.
Νικόλαος Ψαρράς
Φλώρα Πέππα
Μελετητές Γεωθερμικών
συστημάτων
Aid Engineering Ltd