Γιατί κωνικός γεωσυλλέκτης και όχι κυλινδρικός!

Τα κωνικά γεωθερμικά θεωρούνται η βέλτιστη κατασκευαστική λύση στην περίπτωση που δεν μπορεί να εφαρμοστεί οριζόντιο σύστημα επειδή δεν υπάρχει διαθεσιμότητα χώρου, ή η τοποθέτηση του γεωσυλλέκτη στην θεμελίωση δεν είναι εφικτή, και όταν το κάθετο γεωθερμικό σύστημα αποτελεί ακριβή κατασκευαστική λύση. Η ευελιξία αυτή του κωνικού συστήματος οφείλεται στο γεγονός ότι καταλαμβάνει μικρότερο περιβάλλοντα χώρο από το οριζόντιο σύστημα και έχει μικρότερο κόστος εγκατάστασης από το κάθετο σύστημα.

Τα κωνικά συστήματα είναι κλειστά γεωθερμικά συστήματα. Η αρχή λειτουργίας τους είναι ακριβώς ίδια με τα οριζόντια και τα κάθετα γεωθερμικά συστήματα, με μόνη διαφορά το σχήμα του γεωσυλλέκτη. Για την τοποθέτηση του κωνικού γεωσυλλέκτη πραγματοποιούνται τοπικές εκσκαφές. Η απορρόφηση και πρόσδοση θερμότητας από και προς το υπέδαφος επιτυγχάνεται μέσω τεχνητής ανακυκλοφορίας διαλύματος νερού-αντιψυκτικού εντός των σωληνώσεων. 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 προσδιορίστηκε σύμφωνα με τη διάχυση της θερμότητας στο υπέδαφος. Η διάμετρος στο άνω τμήμα του κώνου είναι μεγαλύτερη από τη διάμετρο στο κάτω τμήμα του κώνου, ώστε να αποφεύγεται η θερμική συμφόρηση του εδάφους. Υπερτερεί του κυλινδρικού σχήματος διότι δεν επιτρέπει την θερμική συμφόρηση του εδάφους κατά τον κάθετο άξονα και βοηθά στην απαγωγή και απορρόφηση του ενεργειακού φορτίου. Ένα γεωθερμικό σύστημα με κυλινδρικούς γεωσυλλέκτες μπορεί να λειτουργήσει ομαλά στη θέρμανση, όμως στην ψύξη θα υπάρξει συσσώρευση ενέργειας στο κέντρο του κυλίνδρου. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε κορεσμό του εδάφους, μείωση του βαθμού απόδοσης της εγκατάστασης και αύξηση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας.

Το πλήθος των κώνων εξαρτάται από τα θερμικά-ψυκτικά φορτία που απαιτούνται στον προς κλιματισμό χώρο και το ελάχιστο βάθος τοποθέτησης κάθε κώνου ανέρχεται στα 3.5 m από την επιφάνεια. Τα κωνικά συστήματα δε μπορούν να τοποθετηθούν στη θεμελίωση του κτιρίου και είναι ακριβότερα από τα οριζόντια διότι απαιτούνται σκελετοί από ανοξείδωτο ή πλαστικό για την υποστήριξη του γεωσυλλέκτη. Απαιτούν αισθητά λιγότερο περιβάλλοντα χώρο σε σχέση με τα οριζόντια συστήματα και εμφανίζουν σχεδόν ίση ηλεκτρική κατανάλωση με αυτά.

Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι ένα κωνικό γεωθερμικό σύστημα έχει πολλά οφέλη που μπορούν να γίνουν αισθητά με σωστό σχεδιασμό και προσεκτική εγκατάσταση των γεωσυλλεκτών.




Φλώρα Πέππα
Μηχανολόγος Μηχανικός
Μελετητής Γεωθερμικών συστημάτων
της AiD Engineering

Προσοχή στην υποδιαστασιολόγηση των Γεωθερμικών συστημάτων

Συχνά παρατηρούνται διαφορές στον υπολογισμό του αριθμού των κάθετων οπών για ένα δεδομένο έργο, από τον ένα μελετητή στον άλλον. Η αιτία του φαινομένου αυτού είναι η υποδιαστασιολόγηση του τμήματος που τοποθετείται στο έδαφος που οδηγεί σε αρκετά σημαντικές κοστολογικές διαφορές. Η υποδιαστασιολόγηση ενός γεωθερμικού συστήματος έχει αρνητικές συνέπειες κατά τη λειτουργία του και είναι πολύ πιθανό να οδηγήσει το σύστημα σε μελλοντική αστοχία. Η αστοχία παρατηρείται ακόμα πιο έντονα στα κάθετα γεωθερμικά συστήματα.

Οι διαφορές υπολογισμού από μελετητή σε μελετητή οφείλονται στη λανθασμένη διαδικασία που πραγματοποιείται κατά την μελέτη των θερμικών και ψυκτικών φορτίων μιας εγκατάστασης. Οι θερμικές απαιτήσεις μιας εγκατάστασης στον Ελλαδικό χώρο είναι προφανώς μικρότερες από τις ψυκτικές. 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 αναλυτικά μπορούμε να θεωρήσουμε το παρακάτω παράδειγμα. Θεωρούμε ότι οι θερμικές και ψυκτικές απαιτήσεις μιας εγκατάστασης είναι ίσες και φθάνουν τα 15 kW. Αν θεωρήσουμε ίδιο βαθμό απόδοσης και κατά την διαδικασία της θέρμανσης και κατά τη διαδικασία της ψύξης, ίσο με 3, τότε προκύπτει ότι η απορροφώμενη ισχύς από το έδαφος είναι 10 kW κατά τη θέρμανση και η αποδιδόμενη ισχύς στο έδαφος είναι 20 kW κατά την ψύξη.

Όπως παρατηρούμε, αν ο υπολογισμός των οπών του κάθετου γεωθερμικού συστήματος πραγματοποιηθεί με βάση τα απορροφώμενα φορτία από το έδαφος κατά τη διαδικασία της θέρμανσης, δηλαδή τα 10kW, οι οπές που θα χρειαστούν είναι 2 (με την παραδοχή ότι ο κάθετος γεωσυλλέκτης σε κάθε οπή μπορεί να αποδώσει περίπου 5kW). Αν όμως η υπολογισμός πραγματοποιηθεί με βάση τα φορτία που αποδίδονται στο έδαφος κατά τη λειτουργία της ψύξης, δηλαδή τα 20 kW, οι οπές που θα χρειαστούν είναι 4. Το σύστημα των 2 οπών μπορεί να λειτουργήσει ομαλά κατά την λειτουργία της θέρμανσης, όμως κατά την ψύξη τους θερινούς μήνες θα δημιουργηθούν προβλήματα. (Δεν απαιτείται πάντα ο διπλάσιος αριθμός οπών, όταν η διαστασιολόγηση γίνεται βάσει ψυκτικών απαιτήσεων).

Το σύστημα θα έχει 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 γεωσυλλέκτη είναι ένα σύνηθες φαινόμενο όταν δεν χρησιμοποιούνται τα κατάλληλα υλικά τσιμέντωσης, υλικά που δεν επιτρέπουν την συστολή/διαστολή του μίγματος πλήρωσης των κάθετων οπών. Αυτό παρατηρείται στις περιπτώσεις πλήρωσης των κάθετων οπών με υλικά που περιέχουν τσιμέντο.

Το φαινόμενο της υποδιαστασιολόγησης εντείνεται λόγω κάποιων λογισμικών τα οποία αναφέρονται σε Ευρωπαϊκά κλίματα, και είναι βασισμένα σε αλγορίθμους που λαβαίνουν υπόψη τους μόνο τα θερμικά φορτία. Στην περίπτωση που η εγκατάσταση λειτουργήσει με σώματα καλοριφέρ ή με ενδοδαπέδια θέρμανση, δηλαδή μόνο για θέρμανση, οι αρχικοί υπολογισμοί θα είναι σωστοί. Στην περίπτωση όμως που η εγκατάσταση λειτουργεί για δροσισμό και ψύξη, τότε οι αρχικοί υπολογισμοί είναι λανθασμένοι. Σε αντίθεση με αυτά, τα Αμερικάνικα λογισμικά δίνουν τελικά αποτελέσματα βασισμένα και στα ψυκτικά φορτία της εγκατάστασης.

Ο τελικός χρήστης θα πρέπει να δίνει ιδιαίτερη προσοχή στους παραπάνω παράγοντες, προτού επιλέξει τον τύπο του γεωθερμικού συστήματος που θα εφαρμόσει. Το αρχικό ύψος της επένδυσης είναι ένα βασικό κριτήριο επιλογής, μόνο όμως όταν αυτό δεν έρχεται σε σύγκρουση με την ομαλή και αποδοτική λειτουργία της εγκατάστασης μακροπρόθεσμα.




Νικόλαος Ψαρράς
Μελετητής συστημάτων
Eξοικονόμησης Eνέργειας
της Aid Engineering
Τηλ./ Fax.: 210-8003784
www.aidengineering.gr
info@aidengineering.gr

ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΕ ΙΕΡΑ ΜΟΝΗ ΤΗΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΕΛΛΑΔΟΣ

Τον Απρίλιο του 2010 η AiD Engineering LTD εκπόνησε ενεργειακή μελέτη εφαρμογής γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού καθώς και τεχνοοικονομική ανάλυση, για ένα μοναστήρι. Η μελέτη αυτή εμπεριείχε μια ολοκληρωμένη πρόταση εγκατάστασης συστήματος γεωθερμίας το οποίο πρόκειται να αντικαταστήσει τα υπάρχοντα συστήματα θέρμανσης και ψύξης του κτιρίου. Τα συμβατικά συστήματα που χρησιμοποιούνται ως τώρα στη Μονή είναι καυστήρες – λέβητες πετρελαίου και ξυλόσομπες για τη θέρμανση των χώρων, και ηλεκτρογεννήτριες πετρελαίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το γεωθερμικό σύστημα κλιματισμού που προτείνεται στην Ιερά Μονή θα έχει υποστεί και βελτιστοποίηση με σκοπό τη μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης του και φυσικά την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας και χρημάτων σε ωριαία και ετήσια κλίμακα. Η μέθοδος βελτιστοποίησης περιλαμβάνει εναλλάκτες αέρος – νερού οι οποίοι εκμεταλλεύονται την εκλυόμενη θερμότητα από τα καυσαέρια των ηλεκτρογεννητριών αλλά και από τα καυσαέρια των δύο καυστήρων πετρελαίου που θα εξακολουθήσουν να χρησιμοποιούνται περιστασιακά για την κάλυψη των φορτίων αιχμής της εγκατάστασης.

Το εν λόγω βελτιστοποιημένο σύστημα γεωθερμίας θα καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια την οποία θα μπορεί να προμηθευτεί είτε από τη ΔΕΗ είτε από τις ηλεκτρογεννήτριες. Παρατηρήθηκε ότι η μέγιστη εξοικονόμηση χρημάτων επιτυγχάνεται κατά τη λειτουργία του συστήματος σε συνδυασμό με τη ΔΕΗ. Συγκεκριμένα, η εξοικονόμηση χρημάτων που επιτυγχάνεται κατά τη χειμερινή λειτουργία του συστήματος αγγίζει το 60%. Αντίστοιχα, κατά τη θερινή λειτουργία επιτυγχάνεται εξοικονόμηση της τάξεως των 55%. Στην περίπτωση χρήσης των ηλεκτρογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων κυμαίνεται στα 40 – 45%.

Ένα σύστημα γεωθερμίας παρουσιάζει μεγάλη μείωση εκλυόμενων ρύπων σε σύγκριση με ένα συμβατικό σύστημα. Στην προκειμένη περίπτωση, σημαντικότερη μείωση εκλύσεων ρύπων επιτυγχάνεται από τη λειτουργία του γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού σε συνδυασμό με τις ηλεκτρογεννήτριες. Συγκεκριμένα επιτυγχάνεται μείωση των εκλυόμενων ρύπων κατά 340 kg NOx (60%), και κατά 475 tn CO2 (55%), ποσά αρκετά σημαντικά.

Συμπερασματικά λοιπόν, διαπιστώθηκε ότι ένα γεωθερμικό σύστημα κλιματισμού παρουσιάζει μεγαλύτερη εξοικονόμηση χρημάτων κατά τη λειτουργία του σε συνδυασμό με τη ΔΕΗ, ενώ παρουσιάζει μεγαλύτερη μείωση εκλυόμενων αέριων ρύπων κατά τη λειτουργία του σε συνδυασμό με ηλεκτρογεννήτριες. Πρέπει να αναφερθεί ότι στην Ιερά Μονή προϋπάρχουν συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας τα οποία μπορούν να συνδυαστούν με τη γεωθερμία.



Ιωάννα Τόμελιτς
Μελετητής Ενεργειακών
Συστημάτων
της Aid Engineering
Τηλ./ Fax.: 210-8003784
www.aidengineering.gr
info@aidengineering.gr

Ενδεχόμενοι κίνδυνοι από την χρήση των συστημάτων κλιματισμού VRF

Η επιλογή του συστήματος θέρμανσης/ ψύξης για την κατοικία, το ξενοδοχείο, το γραφείο μας είναι ιδιαίτερα σημαντική αν αναλογιστούμε ότι εκεί περνάμε τον περισσότερο χρόνο της ημέρας μας. Οι παράγοντες που θα πρέπει να εξετάζουμε είναι η άνεση του περιβάλλοντος και η υγιεινή ατμόσφαιρα, χωρίς όμως να παραλείπουμε την ασφάλεια του κάθε συστήματος κλιματισμού ακόμα και αν τα μέτρα ασφαλείας σε κάποιες περιπτώσεις αυξάνουν το κόστος εγκατάστασης.

Τα συστήματα VRF (Variable Refrigerant Flow) - VRV (Variable Refrigerant Volume) είναι κεντρικά ή ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού μεταβλητής ροής του ψυκτικού μέσου για θέρμανση και ψύξη χώρων. Ένα σύστημα κλιματισμού VRF αποτελείται από μία εξωτερική μονάδα (κεντρικό ψυκτικό μηχάνημα), τις εσωτερικές μονάδες χώρου (split units), και το δίκτυο σωληνώσεων χαλκού για την κυκλοφορία του ψυκτικού μέσου μεταξύ της κεντρικής μονάδας και των τερματικών. Ο έλεγχος του συστήματος είναι κεντρικός και δεν περιλαμβάνει τον αυτόνομο έλεγχο των τερματικών μονάδων.

Τα συστήματα εμφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 80 με αρχικές εφαρμογές σε μικρές οικιακές εγκαταστάσεις σαν εφαρμογή multi-split units. Τα χρόνια που ακολούθησαν όμως τα συστήματα επέκτειναν τις εφαρμογές τους και σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις μετά το 2000. Η ταχεία μετάλλαξη τους, καθώς και η έμφαση μόνο σε κοστολογικά κριτήρια, οδήγησαν σε υποβάθμιση των περιορισμών ασφαλείας.

Η βασική διαφορά ενός συστήματος VRF από τα συμβατικά και γεωθερμικά συστήματα κεντρικής θέρμανσης εντοπίζεται στην μεταφορά του ψυκτικού υγρού έως τους κλιματιζόμενους χώρους. Τα συμβατικά και γεωθερμικά συστήματα μεταφέρουν αέρα ή νερό στο δίκτυο διανομής των ενεργειακών φορτίων στον προς κλιματισμό χώρο. Ένα σύστημα VRF διοχετεύει ψυκτικό μέσο σε υψηλή πίεση, αποτελεί δηλαδή ένα σύστημα άμεσης εκτόνωσης.

Η αρχική του χρήση σε μικρές οικιακές εγκαταστάσεις δεν κρίθηκε επικίνδυνη, εφόσον ο όγκος του ψυκτικού μέσου ήταν μικρός, λόγω των χαμηλών ενεργειακών απαιτήσεων. Σε μεγαλύτερες όμως εγκαταστάσεις πραγματοποιήθηκε αύξηση του όγκου του ψυκτικού μέσου. Ο κίνδυνος των συστημάτων VRF παρουσιάζεται σε αυτό το σημείο, εφόσον το ψυκτικό μέσο οδηγείται στους κλιματιζόμενους χώρους σε υψηλή πίεση και ποσότητα. Μια διαρροή μικρού μεγέθους θα οδηγήσει σε απώλεια ισχύος αλλά και σε δυσμενείς συνέπειες καθότι ο χώρος είναι κατοικημένος και αποτελεί χώρο διαβίωσης και όχι κάποιο μηχανοστάσιο.

Ο κίνδυνος διαρροής ενισχύεται και από τα μεγάλα μήκη των σωληνώσεων, καθότι η τήρηση των διαστάσεων που έχει προταθεί από τον ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) , θεωρείται ιδιαίτερα δύσκολη από διάφορους κατασκευαστές. Η μέγιστη απόσταση της ψυκτικής γραμμής σύμφωνα με τους περισσότερους κατασκευαστές μεταξύ της εξωτερικής μονάδας και της πιο απομακρυσμένης μονάδας δεν πρέπει να ξεπερνάει 40 m.

Η απώλεια ασφάλειας του συστήματος είναι ένα σοβαρό πρόβλημα αν κανείς αναλογιστεί τις συνέπειες διαρροής του ψυκτικού μέσου εντός κατοικημένου χώρου. Το ψυκτικό μέσο μπορεί εισπνεόμενο να προκαλέσει ασφυξία, καθώς και ψυχρά εγκαύματα όταν έρθει σε επαφή με το δέρμα. Σε περίπτωση πυρκαγιάς αποσυντίθεται σε παράγωγα υψηλής τοξικότητας (οξείδιο του φθορίου, υδροφθορικό οξύ, μονοξείδιο του άνθρακα και φωσγένιο) Το ενδεχόμενο μιας μικρής διαρροής σε ένα μεγάλο σύστημα είναι υπολογίσιμο. Αυτό μπορεί να συμβεί λόγω κάποιας ατέλειας των σωληνώσεων, κραδασμών, χτυπήματος, αλλά ακόμα και της φυσικής φθοράς των σωληνώσεων μετά από κάποια χρόνια. Το ψυκτικό μέσο θα εξαπλωθεί στο χώρο εφόσον έχει υψηλή πίεση. Η περίπτωση πυρκαγιάς είναι επίσης δυσμενής, εφόσον η απελευθέρωση των τοξικών αερίων λόγω καταστροφής των σωληνώσεων θα οδηγήσει σε εξάπλωση της πυρκαγιάς. Διάφορες προσπάθειες έχουν γίνει ώστε να εφαρμοστούν τεχνικές οι οποίες θα μειώνουν τον κίνδυνο μιας πιθανής διαρροής και κατά συνέπεια τις αρνητικές συνέπειες που προκύπτουν από αυτή. Όμως ακόμα χρειάζεται αρκετή έρευνα ώστε να τεκμηριωθεί και να εφαρμοστεί μια ολοκληρωμένη μέθοδος σχεδιασμού και εγκατάστασης των συστημάτων VRF.

Ένα άλλο βασικό μειονέκτημα των συστημάτων VRF είναι ο έλεγχος της πίεσης ο οποίος είναι αρκετά δύσκολος και εγείρει ερωτήματα σχετικά με την επιστροφή λαδιού. Η εγκατάσταση τέτοιων συστημάτων είναι πολύπλοκη και το κόστος συντήρησης αρκετά υψηλό, εφόσον απαιτούνται συνεχείς έλεγχοι της συνολικής εγκατάστασης. Το κόστος εγκατάστασης επίσης, είναι αυξημένο εφόσον πραγματοποιείται υπερδιαστασιολόγηση των μηχανημάτων λόγω των απωλειών που προκύπτουν από το μεγάλο μήκος των σωληνώσεων.

Σύμφωνα με το Standard 62 του ASHRAE καθώς και άλλoυς αμερικάνικους κανονισμούς κτιρίων, θα πρέπει σε όλα τα κτίρια να υπάρχει ένα κεντρικό σύστημα εξαερισμού με είσοδο νωπού αέρα. Τα συστήματα VRF σε αυτό το θέμα υστερούν σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα κλιματισμού με αέρα εφόσον κάθε εσωτερική τερματική μονάδα θα πρέπει να συνδεθεί ανεξάρτητα με τον εξωτερικό αέρα μέσω αεραγωγού. Επίσης φορέας πιστοποίησης της απόδοσης των συστημάτων VRF δεν υπάρχει.

Σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχουν κάποιοι κανονισμοί προστασίας σωληνώσεων και συγκολλήσεων ώστε να περιοριστούν τα προβλήματα που προκύπτουν, οι οποίοι όμως ίσως να μην τηρούνται. Η νομοθεσία ορίζει επίσης ένα μέγιστο επιτρεπόμενο όριο διαρροής του ψυκτικού μέσου εντός κάποιου χώρου συγκεκριμένης έκτασης, το οποίο όμως δεν προβλέπει ότι το ψυκτικό μέσο είναι πιο βαρύ από τον ατμοσφαιρικό αέρα με αποτέλεσμα να συγκεντρώνεται χαμηλά και να προκαλεί στον χώρο πολύ μεγαλύτερες πραγματικές συγκεντρώσεις. Στην Αμερική ο οργανισμός ASHRAE και η ανάλογη νομοθεσία προβλέπουν την αποτροπή μεγάλων εγκαταστάσεων VRF. Το επιτρεπόμενο μέγεθος μιας τέτοιας εγκατάστασης ορίζεται από την νομοθεσία στην Ευρώπη σε 28 kW. Αυτό πρακτικά μεταφράζεται σε εγκαταστάσεις σπιτιών, αποκλείοντας ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις, τα κτίρια γραφείων και τα νοσοκομεία.

Φλώρα Πέππα
Μηχανολόγος Μηχανικός
Μελετητής Γεωθερμικών συστημάτων
της AiD Engineering