Στις μέρες μας καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε πρωτοφανείς οικονομικές και κοινωνικές αντιξοότητες. Μια εκ των οποίων είναι και η ραγδαία αύξηση της τιμής των συμβατικών καυσίμων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κ.λπ.) για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών. Η στροφή λοιπόν σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, χαμηλότερου λειτουργικού κόστους αλλά και λιγότερο επιβλαβών για την ατμόσφαιρα και το περιβάλλον, τίθεται ως επιτακτική ανάγκη. Μια μορφή ενέργειας που ανταποκρίνεται πλήρως σε αυτές τις απαιτήσεις είναι φυσικά η γεωθερμική ενέργεια.

Γράφει η Μαρία Ευαγγέλου, Μελετητής ενεργειακών συστημάτων AiD Engineering LTD

Ο όρος «αβαθής γεωθερμία» αναφέρεται στην εκμετάλλευση της σταθερής και ανεπηρέαστης από κλιματικές αλλαγές θερμοκρασίας του υπεδάφους ή του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα, η οποία βοηθά στην ανταλλαγή θερμικών και ψυκτικών φορτίων μεταξύ του εδάφους και του κλιματιζόμενου χώρου. Η θέρμανση του εκάστοτε χώρου επιτυγχάνεται μέσω της απορρόφησης της θερμότητας του υπεδάφους ή του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και της πρόσδοσης της θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου, ενώ η ψύξη του κτιρίου επιτυγχάνεται μέσω της απόρριψης της θερμότητας από τον εσωτερικό χώρο του κτιρίου προς το υπέδαφος ή τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. Η γεωθερμία έχει ποικίλες εφαρμογές οι οποίες μπορούν να καλύψουν πλήρως τις ενεργειακές απαιτήσεις για θέρμανση/ψύξη κατοικιών, βιομηχανικών κτιρίων, ξενοδοχειακών εγκαταστάσεων, θερμοκηπίων, παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, θέρμανση πισίνας, για κάθε είδους κτίριο και χρήσης αυτού.

Η εξοικονόμηση ενέργειας (αλλά και χρημάτων) που μπορεί να επιτευχθεί από τα γεωθερμικά συστήματα κλιματισμού είναι αξιοσημείωτη και μπορεί να φτάσει το 55-60% έναντι των συμβατικών συστημάτων θέρμανσης και ψύξης με πετρέλαιο και 45% έναντι του συμβατικού κλιματιστικού τύπου split unit.

Αυτό συμβαίνει κυρίως διότι η θερμοκρασία του υπεδάφους είναι πολύ κοντινή στην επιθυμητή θερμοκρασία του εσωτερικού του κτιρίου. Έτσι, είναι ευκολότερο να θερμανθεί το κτίριο το χειμώνα και να ψυχθεί το καλοκαίρι. Εν αντιθέσει, ένα συμβατικό κλιματιστικό κατά τη διάρκεια του θέρους καλείται να ανατρέψει τη βασική αρχή της μεταφοράς της θερμότητας. Είναι λοιπόν γνωστό ότι η θερμότητα ρέει από ένα πιο θερμό περιβάλλον σε ένα πιο ψυχρό επομένως το κλιματιστικό καλείται να εναποθέσει ένα θερμικό φορτίο σε ένα ήδη κορεσμένο θερμικά περιβάλλον, γεγονός που οδηγεί σε μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και μείωση φυσικά του βαθμού απόδοσης του συστήματος.

Προκειμένου να επιτευχθεί η αναμενόμενη μέγιστη εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη λειτουργία του γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού, θα πρέπει να δίνεται η δέουσα σημασία στις παραμέτρους οι οποίες επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος. Οι παράμετροι αυτές αφορούν τον σχεδιασμό και την συνδεσμολογία του συστήματος. Η ανάλυση των παραμέτρων αυτών αποτελεί απόσπασμα ενός νέου συγγράμματος για την γεωθερμία, το οποίο πρόκειται να κυκλοφορήσει περί τα τέλη του Σεπτεμβρίου του 2013, και θα αποτελέσει ένα πλήρες τεχνικό εγχειρίδιο για την σωστή διαστασιολόγηση και εγκατάσταση των γεωθερμικών συστημάτων. Το σύγγραμμα αυτό θα είναι η συνέχεια του θεωρητικού μέρους, Γεωθερμία και κλιματισμός, θεωρία και πρακτικοί κανόνες.

Ένα γεωθερμικό σύστημα κλιματισμού ανοικτού κυκλώματος, εκμεταλλεύεται τη θερμοκρασία του υπόγειου νερού μέσω υδρογεωτρήσεων. Συνήθως απαιτούνται δύο υδρογεωτρήσεις, εκ των οποίων η μία χρησιμοποιείται ως υδρογεώτρηση άντλησης του νερού, και η δεύτερη χρησιμοποιείται ως υδρογεώτρηση επανεισαγωγής του υπογείου νερού στον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα από όπου προήλθε, μετά την ενεργειακή του εκμετάλλευση. Ανάλογα με την ισχύ του συστήματος προκύπτει και η ζητούμενη παροχή του νερού.

Είναι απαραίτητο να έχουν μελετηθεί εξ’ αρχής στατιστικά στοιχεία της περιοχής σχετικά με τη διαθέσιμη παροχή υπόγειου νερού στη θέση του έργου, ή να έχουν διερευνηθεί τυχόν κοντινές υδρογεωτρήσεις για να βεβαιωθεί το εκτιμώμενο ποσό αντλούμενου νερού. Κατόπιν, θα γίνει ο ακριβής σχεδιασμός του συστήματος. Αν τελικά μετά την πραγματοποίηση της γεώτρησης προκύψει ότι η διαθέσιμη παροχή νερού είναι μικρότερη από την απαιτούμενη, τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλές γεωθερμικές αντλίες θερμότητας συνδεδεμένες εν σειρά. Με τον τρόπο αυτό η συνολική απαιτούμενη παροχή μειώνεται. Βέβαια στην περίπτωση αυτή αλλοιώνεται η θερμοκρασία εισόδου του νερού στις επιμέρους μονάδες και μειώνεται κατ’ άτι η απόδοση του συστήματος. Τη μείωση αυτήν όμως την αντισταθμίζει το γεγονός ότι το σύστημα πλέον θα λειτουργεί ως inverter, λόγω των πολλαπλών συμπιεστών που θα διαθέτει, με αποτέλεσμα την απόλυτη προσαρμογή στην απαιτούμενη ισχύ κάθε στιγμή.

Ένας τρόπος να αυξηθεί η απόδοση του γεωθερμικού συστήματος ανοικτού κυκλώματος, είναι να χρησιμοποιηθεί σύστημα inverter στην υποβρύχια αντλία. Με τον τρόπο αυτό θα ρυθμίζεται επακριβώς η αντλούμενη παροχή σύμφωνα με τη ζήτηση και θα αποφεύγεται το υδραυλικό πλήγμα. Ακόμη, πρέπει να δοθεί προσοχή στη θέση που θα έχει η γεώτρηση εμπλουτισμού σε σχέση με τη γεώτρηση άντλησης. Η γεώτρηση εμπλουτισμού (επανεισαγωγής) θα πρέπει να τοποθετηθεί κατά το δυνατόν μακριά από τη γεώτρηση άντλησης, ώστε να μειωθεί η πιθανότητα της υπερβολικής θερμικής αλληλεπίδρασης.

Ένας άλλος παράγοντας, ο οποίος επηρεάζει την απόδοση του γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού στα ανοικτά κυκλώματα, είναι το αν το σύστημα είναι άμεσου ή έμμεσου βρόχου. Ο παράγοντας αυτός καθορίζεται από την ποιότητα του αντλούμενου νερού. Το σύστημα που χρησιμοποιεί απευθείας στην εγκατάσταση το αντλούμενο νερό είναι σύστημα άμεσου βρόχου, ενώ το σύστημα που χρησιμοποιεί ενδιάμεσο εξοπλισμό προστασίας του εξοπλισμού (εναλλάκτη θερμότητας ανοξείδωτο ή τιτανίου) είναι το σύστημα έμμεσου βρόχου. Για παράδειγμα, σε παραθαλάσσιες περιοχές το αντλούμενο νερό είναι συνήθως υφάλμυρο, οπότε δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας στην εγκατάσταση λόγω των διαβρώσεων που θα προκαλέσει η υφαλμυρότητα.

Έτσι λοιπόν κατά τον σχεδιασμό του γεωθερμικού συστήματος ανοικτού κυκλώματος πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα προτερήματα και τα μειονεκτήματα που εμφανίζει ένα σύστημα άμεσου βρόχου και ένα σύστημα έμμεσου βρόχου. Είναι γεγονός ότι ένα σύστημα άμεσου βρόχου παρουσιάζει μικρότερο κόστος επένδυσης, αλλά μεγαλύτερο κόστος συντήρησης του εξοπλισμού. Επιπλέον, συνήθως ένα τέτοιο σύστημα εμφανίζει μικρότερο χρόνο ζωής έναντι ενός συστήματος έμμεσου βρόχου. Αντιθέτως, το σύστημα έμμεσου βρόχου εμφανίζει μεγαλύτερο κόστος επένδυσης, μικρότερο κόστος συντήρησης και μεγαλύτερο χρόνο ζωής. Αναφορικά με την απόδοση των συστημάτων αυτών, είναι γεγονός ότι το έμμεσο σύστημα παρουσιάζει μικρότερες αποδόσεις από το άμεσο σύστημα, με σχεδόν ίδια ηλεκτρική κατανάλωση, διότι η θερμοκρασία του νερού ανακυκλοφορίας είναι αλλοιωμένη σε σχέση με τη θερμοκρασία νερού άντλησης. Ωστόσο το έμμεσο σύστημα δίνει το πλεονέκτημα ρύθμισης της θερμοκρασίας ανακυκλοφορίας στο δεύτερο βρόχο, καθώς και του καλύτερου αυτοματισμού σχετικά με την τελική λειτουργία του συστήματος.

Ένας ακόμη τρόπος ελέγχου και βελτιστοποίησης της απόδοσης του ανοικτού γεωθερμικού συστήματος, είναι ο σωστός καθορισμός των θερμοκρασιών που απαιτούνται στην ανακυκλοφορία του νερού στο εσωτερικό του κτιρίου, για τη θέρμανση και την ψύξη του. Ο καθορισμός αυτός συνδέεται με τη θερμοκρασία του υπόγειου νερού, και με τις επενεργοποιήσεις των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας κατά τη λειτουργία του συστήματος.

Σε συνέχεια των παραπάνω, εξετάζοντας τη λειτουργία ενός γεωθερμικού συστήματος κλειστού κυκλώματος, θα πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή στη διαστασιολόγηση του γεωσυλλέκτη, ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση του συστήματος. Το συνηθέστερο λάθος στο οποίο υποπίπτει ένας μελετητής γεωθερμίας, είναι ότι σχεδιάζει ένα σύστημα ψύξης στην Ελλάδα σύμφωνα με τις Ευρωπαϊκές προδιαγραφές. Λόγω του ότι οι Ευρωπαϊκές προδιαγραφές αναφέρονται σε συστήματα θέρμανσης, ένα σύστημα ψύξης δεν λειτουργεί σωστά, με αποτέλεσμα τις υψηλές καταναλώσεις ενέργειας επομένως και το υψηλό κόστος λειτουργίας. Το πρόβλημα αυτό διορθώνεται μελετώντας τις Αμερικάνικες προδιαγραφές οι οποίες αναφέρονται σε συστήματα ψύξης. Άρα, πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή στην ακριβή διαστασιολόγηση του γεωσυλλέκτη.

Ένα κλειστό κύκλωμα κάθετου βρόχου έχει καλύτερη απόδοση όταν χρησιμοποιούνται υλικά πολύ υψηλής θερμικής αγωγιμότητας κατά την τσιμέντωσή του. Το ποσοστό του μπεντονίτη κατά την τσιμέντωση των γεωτρήσεων πρέπει να είναι περίπου 20% κατ’ όγκο του νερού, ώστε να έχει την καλύτερη απόδοση η κάθε οπή. Εκτός αυτού, είναι γεγονός πως εάν στο μίγμα τσιμέντωσης προστεθεί άμμος (πυριτική ή τοιχοποιίας), τότε το παραγόμενο μίγμα δύναται να έχει ακόμα και διπλή θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με το απλό μίγμα μπεντονίτη.

Όταν ένα κλειστό κύκλωμα οριζόντιου βρόχου αποτελείται από σωληνώσεις διαμορφωμένες σε σπειροειδή μορφή, τότε δίνεται το πλεονέκτημα μεγαλύτερης απόδοσης από μικρότερο διαθέσιμο χώρο. Ένα άλλο μυστικό που έχει προκύψει από μελέτες είναι ότι η εφαρμογή ενός κωνικού συστήματος είναι πολύ πιο αποδοτική ενεργειακά από ότι η εφαρμογή ενός κωνικού συστήματος, και αυτό διότι βελτιώνεται η θερμική διάχυση στον κατακόρυφο άξονα του κάθε κώνου.

Πολύ σημαντικό ρόλο επίσης στη σωστή διαστασιολόγηση του συστήματος και κατά συνέπεια στην πιο αποδοτική του λειτουργία έχει η διατήρηση της αρχικής επιλογής για θέρμανση ή κλιματισμό (θέρμανση και ψύξη ή θέρμανση και δροσισμό) του εκάστοτε ακινήτου. Για παράδειγμα, εάν κατά τη διάρκεια της μελέτης έχουν προδιαγραφεί να χρησιμοποιηθούν θερμαντικά σώματα τα όποια παρέχουν μόνο θέρμανση στον χώρο, ή ενδοδαπέδια σωλήνωση η οποία παρέχει θέρμανση και δροσισμό, και εν τέλει κατά τη διάρκεια υλοποίησης του έργου επιλεγούν να τοποθετηθούν μονάδες εξαναγκασμένης ανά κυκλοφορίας αέρα (fan coil units), τότε μπορεί το σύστημα να λειτουργήσει κατά τη διάρκεια του χειμώνα για την επίτευξη της θερμικής άνεσης στο εσωτερικό της εγκατάστασης, δεν θα συμβεί όμως το ίδιο κατά τη διάρκεια του θέρους. Αυτό συμβαίνει διότι η απορροφημένη ισχύς από το έδαφος θα είναι μικρότερη κατά τη διαδικασία της θέρμανσης απ’ ότι η αποδιδόμενη ισχύς στο έδαφος κατά τη διαδικασία της ψύξης.

Γίνεται λοιπόν εύκολα κατανοητό ότι, αν ο υπολογισμός γίνει βάσει των απορροφώμενων φορτίων κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, τους χειμερινούς μήνες, η απαίτηση σε εξωτερικό κύκλωμα γεωσυλλέκτη θα είναι μικρότερη. Στην περίπτωση όμως που ο υπολογισμός γίνει βάσει των αποδιδόμενων φορτίων κατά τη διαδικασία της ψύξης, τους θερινούς μήνες, η απαίτηση σε εξωτερικό κύκλωμα γεωσυλλέκτη θα είναι μεγαλύτερη. Ένα υποδιαστασιολογημένο σύστημα θα έχει μειωμένο συντελεστή απόδοσης (COP) απ’ αυτόν που θα είχε ένα σωστά διαστασιολογημένο σύστημα, με αποτέλεσμα η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας να αυξάνεται υπερβολικά. Όσον αφορά στη συμπεριφορά του γεωσυλλέκτη, το μίγμα ανακυκλοφορίας που ρέει στο εσωτερικό του θα υπερθερμανθεί, με αποτέλεσμα να υπάρξει κάποια ενδεχόμενη ρήξη στα τοιχώματα του σωλήνα.

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

Οι συνέπειες από την εγκατάσταση ενός υποδιαστασιολογημένου γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού είναι σημαντικές με μεγάλο αντίκτυπο στην ευρύτερη περιοχή του εκάστοτε έργου. Η λανθασμένη διαστασιολόγηση ενός γεωθερμικού συστήματος κλιματισμού οδηγεί σε υπερκορεσμό του εδάφους, με αποτέλεσμα να παρατηρείται θερμική συσσώρευση μετά από μερικά χρόνια, η οποία οδηγεί σε ένα σύστημα μη οικονομικό. Αξίζει να σημειωθεί ότι ένα υποδιαστασιολογημένο σύστημα γεωθερμίας θα λειτουργεί σωστά κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, με τη πρόκληση όμως μεγαλύτερης ηλεκτρικής κατανάλωσης και το θερμικό κορεσμό του εδάφους κατά τη λειτουργία της ψύξης. Έχει παρατηρηθεί η πρόκληση έντονης ξηρασίας σε εκτάσεις ελαιώνα εξαιτίας της λανθασμένης διαστασιολόγησης και τελικής υλοποίησης του γεωθερμικού συστήματος. Η βιοποικιλότητα της περιοχής διαταράσσεται σε μεγάλο βαθμό και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι αξιοσημείωτες.

Η μελέτη της μακροχρόνιας λειτουργίας των γεωθερμικών συστημάτων οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα τα οποία συνδυάζονται με βιβλιογραφικά στοιχεία, ώστε να προκύψουν περαιτέρω επεμβάσεις βελτιστοποίησης της απόδοσης τους και μέγιστης εξοικονόμησης ενέργειας κατά τη λειτουργία τους.