Γενική περιγραφή συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας

Η χρήση του υπεδάφους ως πηγή θερμότητας αποτελεί σήμερα μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που βρίσκει εφαρμογή στην κάλυψη των αναγκών ψύξης και θέρμανσης κατοικιών, δημόσιων κτιρίων, αλλά και σε αγροτικές δραστηριότητες (π.χ. θερμοκήπια).
Ιδιαιτέρα τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η χρήση της αβαθούς γεωθερμίας έχει ραγδαία αύξηση, στην Ευρώπη και στην Αμερική, καθώς παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα  στην εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και στην προστασία του περιβάλλοντος.
Τα πλεονεκτήματα αυτά στηρίζονται στην βασική αρχή λειτουργίας των γεωθερμικών συστημάτων που είναι η αξιοποίηση της φυσικής θερμοκρασίας της γης σαν πηγή θερμότητας κατά τη διάρκεια της θέρμανσης και σαν αποθήκη θερμότητας κατά τη διάρκεια της ψύξης. 
Η θερμοκρασία του υπεδάφους καθορίζεται από τη θερμότητα που απορροφά το υπέδαφος από την ηλιακή ακτινοβολία και από τη θερμότητα που εκλύεται από τo θερμό πυρήνα της γης με κατεύθυνση τα ψυχρότερα στρώματα του φλοιού και του μανδύα. Η επίδραση της εξωτερικής θερμοκρασίας επηρεάζει ουσιαστικά τη ετήσια θερμοκρασιακή διακύμανση στα πρώτα 10-12 μέτρα από την επιφάνεια, ενώ σε βάθη μεγαλύτερα των 12 μέτρων η θερμοκρασία αυξάνει με σταθερό βήμα 3 C/ 100m (τυπική γεωθερμική βαθμίδα).

Στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας αυτό που αξιοποιείται είναι η θερμοκρασιακή σταθερότητα της θερμικής πηγής. Με το θερμοκρασιακό φάσμα μέγιστης απόδοσης των αντλιών θερμότητας να κυμαίνεται στην περιοχή των 20 C, η χρήση του υπεδάφους ή υπόγειων υδροφορέων ως πηγής θερμότητας αποτελεί συγκριτικά με τον ατμοσφαιρικό αέρα μια σημαντικά σταθερότερη και αποδοτικότερη λύση.

Τα βασικά μέρη των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας είναι

1. Η γεωθερμική αντλία θερμότητας
2. Το κύκλωμα των γεωεναλλακτών που μεσολαβούν ώστε να απορροφάται ή να αποθηκεύεται θερμότητα στο υπέδαφος.

Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας

Οι Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας χρησιμοποιούν τον κύκλο συμπίεσης ατμού για να μεταφέρουν θερμότητα από ένα μέσο με χαμηλή θερμοκρασία σε ένα άλλο μέσο με υψηλότερη θερμοκρασία. Τα βασικά στοιχεία τους περιλαμβάνουν τον εξατμιστή, το συμπιεστή, το συμπυκνωτή, τη βαλβίδα εκτόνωσης και ασφαλώς την πηγή ενέργειας.
Στη λειτουργία θέρμανσης, ο κύκλος λειτουργίας αρχίζει καθώς το υγρό ψυκτικό μέσο της αντλίας θερμότητας διέρχεται από τον εξατμιστή και απορροφά θερμότητα από την πηγή απόληψης θερμότητας (πρωτεύον κύκλωμα).Tο ψυκτικό μέσο εξατμίζεται και σε αέρια πλέον μορφή περνά στο συμπιεστή όπου και συμπιέζεται αδιαβατικά. Η συμπίεση οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου το οποίο περνάει στο συμπυκνωτή ως υπέρθερμος ή κορεσμένος ατμός. Στο συμπυκνωτή, το αέριο ψυκτικό μέσο συμπυκνώνεται και η θερμότητα που έχει αποθηκευμένη από τη συμπίεση μεταφέρεται στο μέσο μεταφοράς θερμότητας στο κτίριο (δευτερεύον κύκλωμα). Tο ψυχρό και σε υγρή πλέον μορφή ψυκτικό μέσο περνά από τη βαλβίδα εκτόνωσης, όπου και εξασφαλίζεται η εκτόνωσή του από την υψηλή πίεση του συμπυκνωτή, στη χαμηλή του εξατμιστή. Ο κύκλος επαναλαμβάνεται με την είσοδό του στον εξατμιστή της αντλίας θερμότητας (Εικόνα 1).
Κατά την περίοδο ψύξης, η αντλία θερμότητας λειτουργεί κατά σχετικά αντίστροφη διαδικασία προκειμένου να αφαιρεθεί θερμότητα από το κτίριο και να αποδοθεί, στην περίπτωση των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, στο υπέδαφος ή στον υπόγειο ταμιευτήρα που αξιοποιείται ως αποθήκη θερμότητας. H διαδικασία αναστροφής του κύκλου εξασφαλίζεται είτε με αναστροφή των κυκλωμάτων, είτε με αναστροφή των υδραυλικών συστημάτων ή των κυκλωμάτων παροχής αέρα στο χώρο.

Εικόνα 1: Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με κατακόρυφους γεωεναλλάκτες (πηγή: www.gscgeo.com/GeothermalCooling.asp)

To πλέον σημαντικό χαρακτηριστικό μιας αντλίας θερμότητας αποτελεί ο συντελεστής απόδοσής της (COP), ο οποίος εκφράζεται από το λόγο των παραγόμενων θερμικών φορτίων προς την αντίστοιχη κατανάλωση έργου. Ο συντελεστής απόδοσης  των αντλιών θερμότη­τας εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία στην οποία αντλείται (λειτουργία θέρμανσης) ή απορρίπτε­ται θερμότητα (λειτουργία ψύξης). Η τιμή του συντελεστή απόδοσης σε συμβατικές αντλίες θερμότητας είναι της τάξης του 2,5-3, ενώ εξελίσσεται συνεχώς η τεχνολογία γύρω από την αύξησή του, με τις νέες αντλίες θερμότητας να εξασφαλίζουν συντελεστές απόδοσης μεταξύ 4 και 6 μονάδων.

Το Κύκλωμα Γεωεναλλακτών

Το κύκλωμα των γεωεναλλακτών διακρίνεται σε δυο τύπους, κλειστού ή ανοικτού βρόγχου (Εικόνα 2).

Εικόνα 2: διάφοροι τύποι συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας

Κλειστού βρόγχου κυκλώματα

Στα κλειστού βρόγχου κύκλωμα, οι  γεωεναλλάκτες είναι σωλήνες πολυαιθυλενίου στο εσωτερικό των οποίων κυκλοφορεί ρευστό το οποίο αντλεί ή μεταφέρει θερμότητα στο υπέδαφος. Το ρευστό αυτό είναι συνήθως νερό, ή νερό με αντιψυκτικά πρόσθετα για την αποφυγή φαινομένων  πάγου κατά την περίοδο της θέρμανσης. Στα κλειστού βρόγχου κυκλώματα οι γεωεναλλάκτες τοποθετούνται στο υπέδαφος είτε οριζόντια είτε κάθετα (Εικόνα 3).

Εικόνα 3: Σχηματική απεικόνιση των φυσικών διεργασιών, στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας με κάθετους γεωεναλλάκτες.

• Οι οριζόντιοι γεωεναλλάκτες τοποθετούνται σε οριζόντιες εκσκαφές μικρού σχετικά βάθους από την επιφάνεια (3-6 μέτρα) σε διάφορες διατάξεις (σπείρας ή παράλληλα), με στόχο να δημιουργηθεί η κατάλληλης έκτασης επιφάνεια επαφής των εναλλακτών με το υπέδαφος.
• Οι κάθετοι γεωεναλλάκτες τοποθετούνται εντός γεωτρήσεων βάθους από 20-300 μέτρα. Σε κάθε γεώτρηση μπορεί να τοποθετηθεί ένας ή δύο - U τύπου εναλλάκτες. Η σταθεροποίηση των εναλλακτών εντός της γεώτρησης επιτυγχάνεται με τη χρήση δακτυλίων που συγκρατούν σε σταθερές αποστάσεις τους πλαστικούς αγωγούς. Στο εσωτερικό της γεώτρησης τοποθετείται υλικό πλήρωσης  (συνήθως μπεντονίτης).

Και στους  οριζόντιους και στους κάθετους γεωεναλλακτών το μήκος τους καθορίζεται από:

• Το μέγεθος των φορτίων που καλείται να εξυπηρετήσει το σύστημα,
• Τον τύπο και τον συντελεστή απόδοσης της αντλίας θερμότητας,
• Τις θερμικές ιδιότητες του υπεδάφους (θερμική αγωγιμότητα, θερμοχωρητικότητα και θερμική διαχυτότητα).

Ανοικτού βρόγχου κύκλωμα

Στα ανοικτού βρόγχου κυκλώματα, η επιθυμητή θερμοκρασία του ρευστού δεν επιτυγχάνεται με την κυκλοφορία νερού μέσα σε αγωγούς στο υπέδαφος, αλλά από την απευθείας άντληση νερού από υποκείμενο υδροφόρο ορίζοντα. Η θερμοκρασία του νερού στον υδροφόρο μεταβάλλεται ελάχιστα κατά τη διάρκεια του έτους, έτσι η αντλία θερμότητας τροφοδοτείται απευθείας με νερό σταθερής περίπου θερμοκρασίας (18-22 C) το οποίο ψύχεται ή θερμαίνεται και στη συνέχεια επανεισαγάγεται στον υδροφόρο ορίζοντα. Τα ανοικτά κυκλώματα αποτελούνται από γεωτρήσεις άντλησης νερού και γεωτρήσεις επανεισαγωγής σε ικανή απόσταση μεταξύ τους (Εικόνα 4).

Εικόνα 4: ανοικτού βρόγχου κ'υκωμα

Ο απαιτούμενος όγκος αντλούμενου νερού καθορίζεται άμεσα από το ύψος των φορτίων που καλείται να εξυπηρετήσει το σύστημα, τον τύπο και το συντελεστή απόδοσης της αντλίας θερμότητας, αλλά και τη δυναμικότητα του υδροφόρου ορίζοντα. Τα παραπάνω, σε συνδυασμό με τους εκάστοτε περιβαλλοντικούς περιορισμούς, περιορίζουν τη χρήση των ανοικτών κυκλωμάτων σε μεγάλης έκτασης συστήματα.